溶胶凝胶法制备纳米材料

1、溶胶-凝胶法制备纳米材料的基本原理大学：资料学院课程编号：11009102学号：110910209人：元昊摘要介绍了纳米材料的性能用途和制备方法，主要介绍了新型制备纳米材料的低温工艺溶胶-凝胶法。本文详细阐述了溶胶-凝胶法的类型和特性，强调了溶胶-凝胶法制备的纳米材料的类型、基本原理和简单操作过程。关键词：纳米材料溶胶凝胶基本原理溶胶-凝胶法的基本原理溶胶-凝胶法是制造超细粉末的湿化学法，用金属的化学试剂制造的金属有机或无机化合物或金属烷氧基前驱体，前驱体溶于溶剂，形成均匀溶液，溶质和溶剂产生水解或醇解反应，反应产物均匀混合在液体下，产生稳定的、未沉淀的溶胶体系，放一段时间或干燥后变成凝胶。凝

2、胶通常含有大量液体物质，利用萃取或蒸发去除液体介质，在比现有烧结温度低得多的情况下热处理，以制造相应物质化合物粉末，还可以用溶胶凝胶法制造单晶、纤维、图层、薄膜材料等其他形式的材料。表2-1纳米材料制备的溶胶凝胶方法类型和特性1.1溶剂可电离的前驱体-金属盐的金属阳离子Mz具有吸引水分子、形成溶剂单位(M(H2O)n)z (z)的强烈释放h以维持其配位位置的倾向。(m(H2O)n)z=(m(H2O)n-1(oh)(z-1)h1.2水解反应金属烷氧基M(OR)n(n是金属M的价码，r是烷基)等非电离分子前驱体与水反应可以持续反应，直到产生M(OH)n为止。M (or) n xh2o m (oh)

3、 x (or) n-x xroh1.3缩聚反应失水缩聚：-M-OH HO-MM-O-M- H2O酒精缩聚：-M-OR HO-M-M-O-M ROH二唑凝胶工艺水溶液中金属无机盐的水解水中金属盐的性质受金属颗粒半径大小、电负性和倍数的影响。它们溶解在纯水中，析出Mz离子，溶剂化，根据溶液的酸度及其电荷转移大小，对水解反应具有以下平衡关系。m-ohz m-oh(z-1)h m=o(z-2)2h通过上述平衡，无机盐前驱体的水解物可以大致记录在MONH2N-h(Z-h)中其中n是m的配体数，z是m的原子价，h是水解摩尔比。H=0时M(OH)NZ是水合离子。H=2N时为MON(2N-Z)- M=0表单。

4、02N时MOX(OH)(N-X)(N X-Z)-、对于H2N，MOX(OH)(N-X)(N X-Z)-与这几种形式的均匀溶液的PH相关。溶剂产生水解或酒精分解反应，将反应产物凝聚成1nm左右的粒子，经过蒸发干燥后转化成凝胶的溶胶，因此，从更综合的角度来看，这种方法称为溶液-溶胶-凝胶法，最基本的反应。溶胶制造的相关因素1)添加水：随着水的添加量低于化学量关系所需的消耗，随着水量的增加，溶胶的时间越来越短，超过化学量关系所需的量，溶胶时间又增加，随着化学量的增加，胶的质量好，胶的制作时间较短。2)下落加速度：酒精盐吸收空气中的水水解，容易凝固，因此，当酒精溶液下降时，在其他因素一致的情况下观察滴

5、加速率，发现滴加速率对刷时间有很大影响。滴加速度越快，凝胶速度越快，但如果速度快，局部水解发生得太快，产生凝胶化生成沉淀，而部分溶胶液体不会发生水解，最终无法得到均匀凝胶，因此反应时也要相加以确保均匀凝胶。3)反应液的PH值：同一金属醇的水解缩聚根据pH，产生反应机制不同、结构不同的缩聚的倾向。PH时间，缩聚反应速度远远大于水解反应，水解被h是由亲马达引起的。缩聚反应从完全水解前开始，缩聚物的交联度低。PH值大时，系统的水解反应系统是由OH-的亲核交换引起的，水解速度大于亲核速度，形成大分子聚合物，交联度更高。4)反应温度：温度升高，水解率相应增加，胶体分子的动能增加，碰撞概率增加，聚合速度加

6、快，从而缩短溶胶时间。相反，在高温度下，溶剂醇的挥发性等于提高反应物浓度，提高溶胶速度，但温度升高，产生的溶胶相对不稳定，容易发生多种水解物聚合。3.胶凝具有流动性的溶胶通过额外缩聚反应形成不能流动的凝胶系统。缩聚反应形成的溶胶溶液，老化时聚合物进一步聚集在一起，成长为小粒子簇，相互碰撞，合并成大粒子簇，在液体包裹在固相骨架中，失去流动，形成凝胶。胶凝形成过程中，奥斯特沃德熟化发生。也就是说，大小粒子随着溶解度而平均增大。老化时间太短时，粒子大小不均匀。时间长，颗粒生长再组合，形成超微结构不容易，表明老化时间的选择对产品的微观结构至关重要。4.凝胶的干燥1.一般干燥：目的是通过干燥去除包裹在湿

7、凝胶膜中的很多溶剂和水，获得干凝胶膜。干燥过程的容积收缩容易导致干燥凝胶膜的开裂，因此产生裂纹的应力主要来自毛细管力，这种力是由填充在凝胶骨架空隙中的液体的表面张力引起的。因此，在干燥过程中，要从减少毛细管力、加强固相骨架的方面出发。目前干燥方法主要有两种。(1)调节干燥，即在溶胶制造中加入可调节干燥的化学添加剂，如金属酰胺、草酸等。由于低蒸气压、低挥发作用，大大减少了不同孔径酒精溶剂的非均匀蒸发，减少了干应力，避免了干凝胶的开裂。(2)超临界干燥，即湿凝胶的有机溶剂和水加热超过临界温度、临界压力，系统中的液体-气体界面消失，凝胶中的毛细力不再存在，因此凝胶裂纹应力的发生基本消除。热处理：进一

8、步热处理、干燥凝胶的气孔去除、致密化及产品的相组成和微观结构可以满足产品性能的要求。加热过程中，先在低温下除去凝胶吸附在表面的水和酒精。因为热处理过程中伴随着体积大的收缩，各种气体的释放(二氧化碳、水、酒精)，避免碳化，在产品中留下碳质颗粒(-或基体未充分氧化时可碳化)。热处理设备主要是真空炉、干燥箱等。三溶胶凝胶法的优缺点优点：1)使用的原料先分散在溶剂中，形成低粘度溶胶，因此可以在很短的时间内获得得到分子水平的均匀性，形成凝胶。2)与固相反应相比，溶胶-凝胶法属于液相化学反应，只需要较低的合成温度，一般溶胶凝胶体系中成分的扩散在纳米范围内。3)产品粒子的粒度小、均匀性高、纯度高、烧结温度低

9、的话，相同的原料变化过程就是可以得到不同的产品，尤其是多成分材料的制造更容易控制反应过程。4)不需要额外的能源，污染少。缺点：1)原料大部分是有机化合物，因此费用高，有机溶剂一般对人体有害；2)有残留的小孔。3)热处理时温度处理错误会产生残留的碳。4)反应时间较长，有时长达1 2月；5)产品凝胶中有很多液体，干燥时会发生收缩，因此容易产生裂纹；(6)燃烧不足时，产品会留下黑色的微孔或oh-或c。(。4在材料准备中的应用可以用溶胶-凝胶法制成的材料主要有纤维材料、涂层和薄膜材料、超细粉末材料等几种类型。1.纤维材料溶胶-凝胶法可用于纤维材料的制备。分子前驱体通过化学反应在线性无机聚合物复合物之间

10、形成线性结合时，可以继续提高系统粘度，当粘度值达到10 100 pas时，可以通过导线选择方法从凝胶中拉出，制成凝胶纤维，通过热处理转换成相应的玻璃或陶瓷纤维。近年来，溶胶凝胶法广泛应用于ABO3钙钛矿型钛酸盐系列陶瓷纤维的制备(如BaTiO3，Pb-TiO3)，钛酸锆铅(PZT)等。薄膜涂层材料薄膜涂层材料的制备是溶胶-凝胶法最有希望的应用方向，工艺：溶胶制备基板制备涂层干燥热处理，目前应用制造了光学薄膜、波导膜、着色膜、电光效应膜、分离膜、保护膜等。3.超细粉末用溶胶-凝胶法将所需成分的前驱体制成混合溶液，制成溶胶，然后继续加热制成凝胶，将样品放在电热真空干燥架上，放在高温真空干燥架上，制作干燥凝胶，在玛瑙研究碗中粉碎，在高温电阻炉中煅烧，取出产品，用室温冷却后研磨，就能得到超细粉末。现在用这种方法制造了很多种类的氧化物粉末和非氧化物粉末。NdFeO3的制造。参考文献：1Jones wr fundamentalprincipless principlesofsol-gel技术，LondlnInstituteofM