1、溶膠凝膠法及其應(yīng)用,學生：彭家喜 導師：王樹東 研究員 2020/8/8,Seminar ,目錄,基本概念 發(fā)展歷程 基本原理和工藝過程 常用測試方法 應(yīng)用舉例 優(yōu)勢，缺陷 未來,溶膠凝膠法的基本概念,膠體（colloid）是一種分散相粒徑很小的分散體系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之間的相互作用主要是短程作用力。 溶膠（Sol）是具有液體特征的膠體體系，分散的粒子是固體或者大分子，分散的粒子大小在11000nm之間。 凝膠（Gel）是具有固體特征的膠體體系，被分散的物質(zhì)形成連續(xù)的網(wǎng)狀骨架，骨架空隙中充有液體或氣體，凝膠中分散相的含量很低，一般在13之間。,溶膠凝膠法的基本概念,簡單的講，溶

2、膠凝膠法就是用含高化學活性組分的化合物作前驅(qū)體，在液相下將這些原料均勻混合，并進行水解、縮合化學反應(yīng)，在溶液中形成穩(wěn)定的透明溶膠體系，溶膠經(jīng)陳化膠粒間緩慢聚合，形成三維空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的凝膠，凝膠網(wǎng)絡(luò)間充滿了失去流動性的溶劑，形成凝膠。凝膠經(jīng)過干燥、燒結(jié)固化制備出分子乃至納米亞結(jié)構(gòu)的材料。,溶膠凝膠法的基本概念溶膠與凝膠的結(jié)構(gòu)比較,這種特殊的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)賦予凝膠很高的比表面,溶膠凝膠法的發(fā)展歷程,1846年法國化學家J.J.Ebelmen用SiCl4與乙醇混合后，發(fā)現(xiàn)在濕空氣中發(fā)生水解并形成了凝膠。 20世紀30年代W.Geffcken證實用金屬醇鹽的水解和凝膠化可以制備氧化物薄膜。 1971年德國H

3、.Dislich報道了通過金屬醇鹽水解制備了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多組分玻璃。 1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整塊陶瓷材料及多孔透明氧化鋁薄膜。 80年代以來，在玻璃、氧化物涂層、功能陶瓷粉料以及傳統(tǒng)方法難以制得的復合氧化物材料得到成功應(yīng)用。,溶膠凝膠法的基本原理,溶劑化： M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+ 水解反應(yīng)： M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH-M(OH)n 縮聚反應(yīng) 失水縮聚：-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2O 失醇縮聚：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH,

4、溶膠凝膠法的基本原理水解反應(yīng)機理,溶膠凝膠法的基本原理縮聚反應(yīng)機理,溶膠凝膠法的工藝過程,溶膠凝膠法常用測試方法,測定前驅(qū)物金屬醇鹽的水解程度（化學定量分析法） 測定溶膠的物理性質(zhì)（粘度、濁度、電動電位） 膠粒尺寸大?。蕪椥怨馍⑸浞?、電子顯微鏡觀察） 溶膠或凝膠在熱處理過程中發(fā)生的物理化學變化（XRD、中子衍射、DTATG） 反應(yīng)中官能團及鍵性質(zhì)的變化（紅外分光光度計、拉曼光譜儀） 溶膠、凝膠粒子中的結(jié)構(gòu)（GCMS） 固態(tài)物體的核磁共振譜測定MO結(jié)構(gòu)狀態(tài),溶膠凝膠法的應(yīng)用,溶膠凝膠法應(yīng)用（1）鋁膠制備及化學機理,boehmite溶膠 將1M仲丁醇鋁的仲丁醇溶液滴入溫度高于80的去離子水中進行

5、水解，生成boehmite沉淀，加入適量1.6M HNO3，使沉淀膠溶，經(jīng)老化形成穩(wěn)定的溶膠,溶膠凝膠法應(yīng)用鋁膠制備及化學機理,鋁鹽溶液中，鋁離子呈水合狀態(tài)，即Al(H2O)63+。由于 鋁離子的正電荷與配位水分子中氫離子相斥，使氫離子 釋放出來水解反應(yīng) Al(H2O)63+ = Al(OH)(H2O) 52+ + H+ Al(OH)(H2O) 52+ = Al(OH)2(H2O) 4 + + H+ Al(OH)2(H2O) 4+ = Al(OH)3(H2O) 30 + H+ 溶液的Ph值升高，水解程度增大,溶膠凝膠法應(yīng)用鋁溶膠制備及化學機理,水解反應(yīng)生成的沉淀Al(OH)3(H2O) 30在

6、溶液酸度提高時，能夠溶解，變成離子，形成沉淀-膠溶反應(yīng)（Precipitation-Peptization） n Al(OH)3(H2O) 30 + xHNO3 = Al(OH)3(H2O) 3nHxx+ + xNO3- 膠溶反應(yīng)中膠核呈正電性，外層吸附了電量相等的負電離子。,溶膠凝膠法的應(yīng)用（2）功能材料中制備粉體材料,溶膠凝膠法的應(yīng)用功能材料中制備纖維,溶膠凝膠法的應(yīng)用功能材料中制備膜材料,溶膠凝膠法的應(yīng)用功能材料中制備單晶,溶膠凝膠法的應(yīng)用功能材料中制備復合材料,溶膠凝膠法的應(yīng)用（3）催化劑的制備及應(yīng)用,溶膠凝膠法的優(yōu)勢,起始原料是分子級的能制備較均勻的材料 較高的純度 組成成分較好控制，尤其適合制備多組分材料 可降低程序中的溫度 具有流變特性，可用于不同用途產(chǎn)品的制備 可以控制孔隙度 容易制備各種形狀,溶膠凝膠法的缺陷,原料成本較高 存在殘留小孔洞 存在殘留的碳 較長的反應(yīng)時間 有機溶劑對人體有一定的危害性,溶膠凝膠法的未來,1994年7月在美國加利福尼亞的圣地亞哥舉 行的關(guān)于SolG