溶胶凝胶法制备纳米材料.docVIP

利用溶胶凝胶法制备纳米材料的基本原理 学院:材料学院 班号：1109102 学号：1110910209 姓名：袁皓 摘?要：本文介绍了纳米材料的性能用途以及制备方法，主要是新兴的制备纳米材料低温工艺——溶胶凝胶法，在文中详细说明了溶胶凝胶法的类型和特征，重点描述了利用溶胶凝胶法制备纳米材料的类型，基本原理以及简略的操作流程。? 关键词：纳米材料?溶胶凝胶??基本原理 一 溶胶凝胶法的基本原理 溶胶凝胶(sol-gel)法是一种制备超细粉末的一种湿化学法，它是以液体的化学试剂配制成金属有机或无机化合物或者是金属醇盐前驱物，前驱物溶于溶剂中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或是醇解反应，反应生成物在液相下均匀混合，均匀反应，生成稳定且无沉淀的溶胶体系，放置一段时间后或是干燥处理溶胶之后转变为凝胶，在凝胶中通常含有大量的液相物质，需要利用萃取或蒸发除去液体介质，并在远低于传统的烧结温度下热处理，最后形成相应物质化合物粉体,利用溶胶凝胶法还可以制备其他形态的材料包括单晶、纤维、图层、薄膜材料等。 表2-1?对于制备纳米材料的溶胶凝胶法类型和特征 1.1 溶剂化 能电离的前驱物－金属盐的金属阳离子 Mz+吸引水分子形成溶剂单元(M(H2O)n)z+(z 为M 离子的价数)，为保持它的配位数而具有强烈的释放 H＋的趋势。 (M(H2O)n)z+==(M(H2O)n-1(OH))(z-1)++H＋ M(OR)n(n 为金属 M 的原子价，R 代表烷基)，与水反应，反应可延续进行，直至生成M(OH)n。 M(OR)n＋xH2O→M(OH)x(OR)n-x+xROH -M-OH+HO-M→M-O-M-+H2O 失醇缩聚：-M-OR+HO-M→-M-O-M+ROH 二 溶胶凝胶法的工艺过程 1.金属无机盐在水溶液中的水解? 金属盐在水中的性质受金属粒子半径大小、电负性、配位数的影响。它们溶于纯水中常电离析出Mz+离子并溶剂化，根据溶液的酸度和相应的电荷转移大小，水解反应存在下列平衡关系： [M-OH]Z+——[M-OH](Z-1)+H+——[M=O](Z-2)+2H 由上述平衡，任何无机盐前驱物的水解产物都可以粗略地写在[MONH2N-h](Z-h)+ 其中N是M的配位数，Z是M的原子价，h称为水解摩尔比。H=0时，[M(OH)N]Z+ 是水合离子；当h=2N时，MON(2N-Z)-是M=0形式；当0h2N时分为三种形式： h=N时为[M(OH)N](N-X)-， h2N时为[MOX(OH)(N-X)](N+X-Z)-， h2N时为[MOX(OH)(N-X)](N+X-Z)- 这几种形态均匀溶液的PH有关。 溶剂产生水解或醇解反应，?反应生成物聚集成1nm?左右的粒子并组成溶胶，后者经蒸发干燥转变为凝胶，?因此更全面地看，?此法应称为SSG法，?即溶液-溶胶-凝胶法，?最基本的反应。 2.?与溶胶的制备有关的因素 1) 水的加入量：? 水的加入量低于按化学计量关系所需要的消耗量时，随着水量的增加，溶胶的时间会逐渐缩短，超过化学计量关系所需量时，溶胶时间又会逐渐增长，所以按化学计量加入时成胶的质量好，而且成胶的时间相对较短。? 2)?滴加速度：? 醇盐易吸收空气中的水水解凝固，因此在滴加醇盐醇溶液时，其他因素一致情况下观察滴加速率，发现滴加速率明显影响溶胶时间，滴加速率越快，凝胶速度也快，但速度快,易造成局部水解过快而聚合胶凝生成沉淀，同时一部分溶胶液未发生水解最后导致无法获得均一的凝胶，所以在反应时还应辅以均匀搅拌，以保证得到均一的凝胶。? 3)?反应液的PH值：? 反应液的pH?不同，其反应机理不同，对同一种金属醇盐的水解缩聚，往往产生结构、形态不同的缩聚。pH?较小时，缩聚反应速率远远大于水解反应，水解由H+ 的亲电机理引起的。缩聚反应在完全水解前已经开始，因此缩聚物交联度低。pH?较大时，体系的水解反应体系由[OH-]的亲核取代引起，水解速度大于亲核速度，形成大分子聚合物，有较高的交联度。? 4)?反应温度：? 温度升高，水解速率相应增大，胶粒分子动能增加，碰撞几率也增大，聚合速率快，从而导致溶胶时间缩短；另一方面，较高温度下溶剂醇的挥发快，相当于增加了反应物浓度，加快了溶胶速率，但温度升高也会导致生成的溶胶相对不稳定，且易生成多种水解产物聚合。 3.凝胶化 具流动性的溶胶通过进一步缩聚反应形成不能流动的凝胶体系。经缩聚反应形成的溶胶溶液在陈化时，聚合物进一步聚集长大成为小粒子簇，它们相互碰撞连接成大粒子簇，同时，液相被包于固相骨架中失去流动，形成凝胶。陈化形成凝胶过程中，会发生 Ostward 熟化，即大小粒子因溶解度的不同而造成平均粒径的增加。陈化时间过短，颗粒尺寸反而不均匀； 时间过长