9 湿化学法-溶胶凝胶法.ppt

溶胶－凝胶法应用（1）—气凝胶 气凝胶是由胶体粒子或高聚物分子相互聚结构成的纳米多孔网络固态非晶材料，其多孔率可达到80~99.8%，比表面积可高达到800~1000m2/g以上。气凝胶具有很低的密度，美国Larry Hrubesh领导的研究者曾经制备了密度仅为0.003g/cm3的气凝胶，其密度仅为空气的三倍，被称为 “固体烟”。 前驱体 溶 胶 水 聚 合 凝胶 气凝胶 气凝胶形成示意图 全碳气凝胶-浙江大学-2013-最轻的材料(每立方厘米0.16毫克) 浙江大学高超教授课题组将含有石墨烯和碳纳米管两种纳米材料的水溶液在低温环境下冻干，去除水分、保留骨架，成功刷新了“最轻材料”的纪录。 溶胶－凝胶法应用（1）—气凝胶 水解 缩聚 脱水 工艺流程 气凝胶样品进行的表面形貌分析 溶胶－凝胶法应用（1）—气凝胶 溶胶－凝胶法应用（2）—纳米TiO2粉末制备 钛酸四丁脂在酸性条件下，水解产物为含钛离子溶胶 含钛离子溶液中钛离子通常与其它离子相互作用形成复杂的网状基团，最后形成稳定凝胶 Ti(OH)4+Ti(O-C4H9)4→ 2TiO2 + 4C4H9OH Ti(OH)4+ Ti(OH)4 → 2TiO2 + 4H2O 仪器及试剂 试剂：钛酸正四丁脂（分析纯），无水乙醇（分析纯），冰醋酸（分析纯），盐酸（分析纯），蒸馏水。 仪器：恒温磁力搅拌器，搅拌子，三口瓶(250 mL)，恒压漏斗(50 mL)，量筒(10 mL, 50 mL)，烧杯(100 mL） 溶胶－凝胶法应用（2）—纳米TiO2粉末制备 搅拌 → 40℃水浴 无色 凝胶 80℃烘干 → 固态凝胶 热处理 研磨 二氧化钛粉体 应用实例（3）：溶胶-凝胶法制备氧化铝弥散铜复合粉末 取适量的Al(NO3)3?9H2O加入蒸馏水中制得Al(NO3)3水溶液 将氨水逐滴滴入并剧烈搅拌，使溶液至pH=9 加入适量的胶体分散剂聚乙醇(防止胶体颗粒的凝聚),得到乳白色溶胶： Al(NO3)3+3NH4OH→Al(OH)3+3NH4NO3 再将铜粉缓慢加入溶胶，搅拌，静置30min，得到铜与氢氧化铝湿凝胶的混合物。 将该混合物放入球磨机中进行湿粉球磨4～5ｈ，然后在室温下干燥即可制得超细Al2O3弥散强化铜复合粉末。 应用实例（4）：溶胶-凝胶法制备激光防护玻璃 制备工艺流程 TEOS 乙醇 H2O 物质的量比：1：4：4 加入具有激光防护性能材料 均匀混合 （磁力搅拌或超声振荡） 加入催化剂 水解缩聚 溶胶 陈化和干燥 激光防护玻璃 酞菁掺杂复合玻璃 纳米碳管掺杂复合玻璃 纳米银掺杂复合玻璃 应用实例（5）：自蔓延溶胶凝胶法 自蔓延溶胶凝胶法是利用硝酸盐与一些有机燃料(如柠檬酸、尿素、氨基乙酸)的氧化还原放热反应，引起自蔓延燃烧现象的一种方法。即采用溶胶凝胶法，制得前体，再经过自蔓延燃烧得到目标产物，就是自蔓延溶胶凝胶技术。 自蔓延溶胶凝胶法在反应原料方面主要包括以下四个体系： 硝酸盐与羧酸、羧酸盐体系 硝酸盐与氨基酸体系 硝酸盐与尿素、肼的衍生物体系 羧酸肼盐体系 其中，硝酸盐与羧酸、羧酸盐体系是最常用的体系，常用的羧酸有柠檬酸、苹果酸、琥珀酸、酒石酸等。而硝酸盐一柠檬酸体系则是应用最为广泛、报道最多的体系。 应用实例（5）：自蔓延溶胶凝胶法 基本反应原理（以硝酸盐与柠檬酸体系为例） 硝酸盐与柠檬酸反应后，形成的凝胶在加热时，发生氧化还原发应，其中NO3-提供氧化气氛，COO-作为燃料，处于凝胶结构中的NO3-和COO-在一定温度下发生“原位”氧化—还原反应，从而发生自蔓延燃烧。自蔓延燃烧的现象是：在某温度下，凝胶在某处点燃，燃烧迅速地向四周推进，直到所有的干凝胶燃烧完，形成疏松的粉末。 络合剂柠檬酸在溶胶凝胶自蔓延法中扮演重要角色： 一方面，作为典型的络合剂，可与金属离子形成络合物，把金属离子均匀地 分布在凝胶中，从而显示出溶胶凝胶法的基本优点； 另一方面，在氧化还原中作为还原剂。 本章思考题： 1、什么是溶胶，什么是凝胶？ 2、简述溶胶凝胶反应的基本过程。 3、写出正硅酸乙酯作为前驱物进行溶胶凝胶反应时，所发生的水解和缩聚反应式。 4、简述溶胶凝胶法的优缺点。 金属醇盐 溶剂（甲醇、乙醇等） 水 催化剂（酸或碱） 水解和缩聚 溶胶 陈化 涂层 成型 湿凝胶 干凝胶 成品 干燥 热处理 醇盐溶胶-凝胶法的基本过程示意图 溶胶-凝胶过程 Sol-gel 合成材料 溶液－溶胶化 凝胶化－成型 固化处理 超细粉和溶液 机械混合形成胶液 金属无机盐或 金属醇盐水解缩聚 金属有机化合物 水解缩聚 干燥 热处理 溶胶-凝胶工艺过程 金属醇盐水解反应：M(OR)n +