纳米材料化学简明教程 教学课件 ppt 作者 汪信 刘孝恒 编著Part4 纳米材料有机及高分子化学.pptx

3.纳米材料有机及高分子化学 将介绍近期涉及有机化学以及高分子化学领域中的纳米材料、纳米结构研究工作的部分新成果。主要内容3.1 纳米材料有机化学3.2 纳米材料高分子化学3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.1 纳米结构 本部分的内容有些相似于后续的自组装内容，即都考虑研究对象的几何形状问题，包括分子几何形状的设计、化学合成方法、结构表征与推测等。但这两部分内容还是有着一些本质上的差异，在后续的自组装内容中，构成纳米结构的基本单元是带有复杂结构的多核配合物分子，这种多核配合物是由起骨架作用的配体中N等原子与多个金属离子配位形成的。3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.1 纳米结构有机金属化合物的几何结构(2D, 3D)3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.1 纳米结构3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.1 纳米结构3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.1 纳米结构3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.2 sol-gel 法制备纳米材料 溶胶—凝胶法（简称 sol-gel法）诞生于160多年前，但直到1940年左右，sol-gel法才引起科技界的重视，随后sol-gel法的研究及应用发展速度较快，近期对美国化学文摘的检索，含有关键词“sol-gel”的文章已超过10万篇。近10多年来，sol-gel法制备纳米材料的研究倍受科技界的青睐，并且极大地赋予了这一材料传统制备方法以新的活力。3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.2 sol-gel 法制备纳米材料 sol-gel法的早期研究就与硅的化合物密切相关，所得到的理论成果在当今sol-gel法制备纳米材料的研究中仍具有十分重要的意义。一些硅的化合物（如SiO2）已成为纳米材料大家庭中的重要一员，相关制备方法和机理已推广应用到TiO2，ZrO2等众多无机纳米材料的研究中以及工业化生产中。以下以正硅酸酯—Si（OR）4为例，进行sol-gel过程分析，其过程可通过以下反应方程式表述：3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学 当n=1 时，形成的是二聚体结构；当n=2 时，形成的是线形或环状多聚体结构；当n=4 时，形成更为复杂的网状多聚体结构，可以想象当n=1-4的起始取代物共混时（更接近于真实的sol-gel过程），将会形成十分复杂的立体网状多聚体结构。这里还要解释一下sol-gel过程的划分与判断问题，当为二聚体P2或其它低聚体时，此时的分散系类型属真溶液；当聚合度进一步增加时，多聚体的线团尺寸进入胶体粒子尺度范围，此时的分散系属溶胶—sol（一般为液溶胶）；当聚合度继续增大时，液溶胶体系失去流动性，最终形成凝胶—gel。3.1.1.2 sol-gel 法制备纳米材料3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.2 sol-gel 法制备纳米材料 在低pH的条件下，溶胶sol中的分散质分子具有较长的主链及支链结构，随着时间的推移，原先独立存在的分子链彼此之间逐渐相互交联，形成凝胶gel，最终体系失去流动性，故这是一种典型的sol-gel过程；在中等pH的条件下，sol-gel过程与在低pH值环境下的过程基本相同，只不过此时的分散质分子主链及支链长度已明显降低；在高pH的条件下，分散质分子主链及支链结构已不存在，在sol-gel过程的早期就已开始形成特征明显的胶体粒子，随着时间的推移，这些胶体粒子彼此之间逐渐相互交联， 最终体系也可能失去流动性，从而形成凝胶gel。3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.2 sol-gel 法制备纳米材料 T. Sugimoto等系统地开展了sol-gel法制备纳米TiO2的研究工作，右图为制备的基本过程，所使用的前驱物为钛酸异丙酯（TIPO），采用三乙醇胺（TEOA）稳定前驱物，sol体系在100℃下陈化24h后转变为gel，制备的最后阶段摈弃了传统的高温焙烧方法，改为140℃下陈化3天的处理方式，最终产物生成的过程与品质见下页图。Sugimoto T, Zhou X P, Muramatsu A. J. Colloids Interface Sci. 2003,252:3393.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.2 sol-gel 法制备纳米材料3.1 纳米材料有机化学3.1.1 纳米材料有机金属化学3.1.1.3 有机体系制备纳米材料的新进展 T. J. Tren