溶胶－凝胶法及其应用溶胶－凝胶法及其应用学生：彭家喜 导师：王树东 研究员2024/7/28Seminar ⅠⅠ1 1 目录目录n n基本概念基本概念n n发展历程发展历程n n基本原理和工艺过程基本原理和工艺过程n n常用测试方法常用测试方法n n应用举例应用举例n n优势，缺陷优势，缺陷n n未来未来2 2 溶胶－凝胶法的基本概念溶胶－凝胶法的基本概念n n胶体（colloid）是一种分散相粒径很小的分散体系，分散相粒子的重力可以忽略，粒子之间的相互作用主要是短程作用力n n溶胶（Sol）是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～1000nm之间n n凝胶（Gel）是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间3 3 溶胶－凝胶法的基本概念溶胶－凝胶法的基本概念 简单的讲，溶胶－凝胶法就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。
凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料4 4 溶胶－凝胶法的基本概念溶胶－凝胶法的基本概念－－溶胶与凝胶的结构比较溶胶与凝胶的结构比较溶胶溶胶溶胶溶胶无固定形状无固定形状无固定形状无固定形状固相粒子自由运动固相粒子自由运动固相粒子自由运动固相粒子自由运动凝胶凝胶凝胶凝胶固定形状固定形状固定形状固定形状固相粒子按一定网固相粒子按一定网固相粒子按一定网固相粒子按一定网架结构固定不能自架结构固定不能自架结构固定不能自架结构固定不能自由移动由移动由移动由移动这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面5 5 溶胶－凝胶法的发展历程溶胶－凝胶法的发展历程n n18461846年法国化学家年法国化学家J.J.EbelmenJ.J.Ebelmen用用SiClSiCl4 4与乙醇混与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶n n2020世纪世纪3030年代年代W.GeffckenW.Geffcken证实用金属醇盐的水解证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜和凝胶化可以制备氧化物薄膜n n19711971年德国年德国H.DislichH.Dislich报道了通过金属醇盐水解制报道了通过金属醇盐水解制备了备了SiOSiO2 2-B-B2 2O-AlO-Al2 2O O3 3-Na-Na2 2O-KO-K2 2O O多组分玻璃。
多组分玻璃n n19751975年年B.E.YoldasB.E.Yoldas和和M.YamaneM.Yamane制得整块陶瓷材料制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜及多孔透明氧化铝薄膜n n8080年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用成功应用6 6 溶胶－凝胶法的基本原理溶胶－凝胶法的基本原理n n溶剂化溶剂化：：M(HM(H2 2O)O)n nz+z+=M(H=M(H2 2O)O)n-1n-1(OH)(OH)(z-1)(z-1)+H+H++n n水解反应水解反应：：M(OR)M(OR)n n+xH+xH2 2O=M(OH)O=M(OH)x x(OR)(OR)n-xn-x+xROH------+xROH------M(OH)M(OH)n nn n缩聚反应缩聚反应失水缩聚失水缩聚：：-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2 2OO失醇缩聚失醇缩聚：：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH7 7 溶胶－凝胶法的基本原理溶胶－凝胶法的基本原理－－水解反应机理水解反应机理水解反应机理水解反应机理8 8 溶胶－凝胶法的基本原理溶胶－凝胶法的基本原理－－缩聚反应机理缩聚反应机理缩聚反应机理缩聚反应机理9 9 溶胶－凝胶法的工艺过程溶胶－凝胶法的工艺过程1010 溶胶－凝胶法常用测试方法溶胶－凝胶法常用测试方法n n测定前驱物金属醇盐的水解程度（化学定量分析测定前驱物金属醇盐的水解程度（化学定量分析法）法）n n测定溶胶的物理性质（粘度、浊度、电动电位）测定溶胶的物理性质（粘度、浊度、电动电位）n n胶粒尺寸大小（准弹性光散射法、电子显微镜观胶粒尺寸大小（准弹性光散射法、电子显微镜观察）察）n n溶胶或凝胶在热处理过程中发生的物理化学变化溶胶或凝胶在热处理过程中发生的物理化学变化（（XRDXRD、中子衍射、、中子衍射、DTADTA－－TGTG））n n反应中官能团及键性质的变化（红外分光光度计、反应中官能团及键性质的变化（红外分光光度计、拉曼光谱仪）拉曼光谱仪）n n溶胶、凝胶粒子中的结构（溶胶、凝胶粒子中的结构（GCGC－－MSMS））n n固态物体的核磁共振谱测定固态物体的核磁共振谱测定M M－－O O结构状态结构状态1111 溶胶－凝胶法的应用溶胶－凝胶法的应用前驱体溶胶纳米颗粒纤维湿凝胶涂层、薄膜气凝胶多孔材料干凝胶致密块体1212 溶胶－凝胶法应用（溶胶－凝胶法应用（1））——铝胶制备及化学机理铝胶制备及化学机理铝胶制备及化学机理铝胶制备及化学机理n nboehmiteboehmiteboehmiteboehmite溶胶溶胶溶胶溶胶n n将将将将1M1M1M1M仲丁醇铝的仲丁醇溶液滴入温度高于仲丁醇铝的仲丁醇溶液滴入温度高于仲丁醇铝的仲丁醇溶液滴入温度高于仲丁醇铝的仲丁醇溶液滴入温度高于80808080℃℃℃℃的的的的去离子水中进行水解，生成去离子水中进行水解，生成去离子水中进行水解，生成去离子水中进行水解，生成boehmiteboehmiteboehmiteboehmite沉淀，加入沉淀，加入沉淀，加入沉淀，加入适量适量适量适量1.6M HNO1.6M HNO1.6M HNO1.6M HNO3 3 3 3，使沉淀胶溶，经老化形成稳定的，使沉淀胶溶，经老化形成稳定的，使沉淀胶溶，经老化形成稳定的，使沉淀胶溶，经老化形成稳定的溶胶溶胶溶胶溶胶1313 溶胶－凝胶法应用溶胶－凝胶法应用——铝胶制备及化学机理铝胶制备及化学机理铝胶制备及化学机理铝胶制备及化学机理铝盐溶液中，铝离子呈水合状态，即铝盐溶液中，铝离子呈水合状态，即铝盐溶液中，铝离子呈水合状态，即铝盐溶液中，铝离子呈水合状态，即[ [ [ [Al(HAl(HAl(HAl(H2 2 2 2O)O)O)O)6 6 6 6] ] ] ]3+3+3+3+。
由于由于由于由于铝离子的正电荷与配位水分子中氢离子相斥，使氢离子铝离子的正电荷与配位水分子中氢离子相斥，使氢离子铝离子的正电荷与配位水分子中氢离子相斥，使氢离子铝离子的正电荷与配位水分子中氢离子相斥，使氢离子释放出来释放出来释放出来释放出来————水解反应水解反应水解反应水解反应[ [Al(HAl(H2 2O)O)6 6] ]3+ 3+ = = [ [Al(OH)(HAl(OH)(H2 2O)O) 5 5] ]2+2+ + H + H++[ [Al(OH)(HAl(OH)(H2 2O)O) 5 5] ]2+2+ = = [ [Al(OH)Al(OH)2 2(H(H2 2O)O) 4 4] ] + + + H + H++ [ [Al(OH)Al(OH)2 2(H(H2 2O)O) 4 4] ]++ = = [ [Al(OH)Al(OH)3 3(H(H2 2O)O) 3 3] ]0 0 + H + H++ 溶液的溶液的溶液的溶液的PhPh值升高，水解程度增大值升高，水解程度增大值升高，水解程度增大值升高，水解程度增大1414 溶胶－凝胶法应用溶胶－凝胶法应用——铝溶胶制备及化学机理铝溶胶制备及化学机理铝溶胶制备及化学机理铝溶胶制备及化学机理n n水解反应生成的沉淀水解反应生成的沉淀水解反应生成的沉淀水解反应生成的沉淀[ [ [ [Al(OH)Al(OH)Al(OH)Al(OH)3 3 3 3(H(H(H(H2 2 2 2O)O)O)O) 3 3 3 3] ] ] ]0 0 0 0在溶液酸度提高时，在溶液酸度提高时，在溶液酸度提高时，在溶液酸度提高时，能够溶解，变成离子，形成沉淀能够溶解，变成离子，形成沉淀能够溶解，变成离子，形成沉淀能够溶解，变成离子，形成沉淀- - - -胶溶反应胶溶反应胶溶反应胶溶反应（（（（Precipitation-PeptizationPrecipitation-Peptization））））n n [ [Al(OH)Al(OH)3 3(H(H2 2O)O) 3 3] ]0 0 + xHNO + xHNO3 3 = = { { [ [Al(OH)Al(OH)3 3(H(H2 2O)O) 3 3] ]n nHHx x} }x+x+ + xNO + xNO3 3- -n n胶溶反应中胶核呈正电性，外层吸附了电量相等的负电离胶溶反应中胶核呈正电性，外层吸附了电量相等的负电离胶溶反应中胶核呈正电性，外层吸附了电量相等的负电离胶溶反应中胶核呈正电性，外层吸附了电量相等的负电离子子子子。
1515 溶胶－凝胶法的应用（溶胶－凝胶法的应用（2））－功能材料中制备粉体材料－功能材料中制备粉体材料－功能材料中制备粉体材料－功能材料中制备粉体材料La2O3La(NO3)3溶液HNO3Fe(NO3)3.6H2OFe(NO3)3溶液La: Fe=1:1柠檬酸LaFeO3的超细粉末 10～100nmLa3+、Fe3+的柠檬酸溶液50～80℃含La3+、Fe3+的凝胶含La3+、Fe3+的溶胶60～90℃干凝胶热处理120℃1616 溶胶－凝胶法的应用溶胶－凝胶法的应用－功能材料中制备纤维－功能材料中制备纤维－功能材料中制备纤维－功能材料中制备纤维Si(OCH3)4C2H5OHH2O,HClC2H5OHNdCl3.6H2O混合溶液凝胶纤维铷玻璃纤维粘性溶胶搅拌（室温）放置、脱水（室温～8 0％）拉纤维（室温）加热（10℃/h）500℃ 1h，冷却至室温1717 溶胶－凝胶法的应用溶胶－凝胶法的应用－功能材料中制备膜材料－功能材料中制备膜材料－功能材料中制备膜材料－功能材料中制备膜材料Nd(NO3)3.6H2OH2O,HClC2H5OHC2H5OHSi(OCH3)4混合溶液粘性溶胶包覆膜保持2～4h，室温包覆Nd.SiO2膜加热1h1818 溶胶－凝胶法的应用溶胶－凝胶法的应用－功能材料中制备单晶－功能材料中制备单晶－功能材料中制备单晶－功能材料中制备单晶1919 溶胶－凝胶法的应用溶胶－凝胶法的应用－功能材料中制备复合材料－功能材料中制备复合材料－功能材料中制备复合材料－功能材料中制备复合材料2020 溶胶－凝胶法的应用（溶胶－凝胶法的应用（3））－－催化剂的制备及应用催化剂的制备及应用催化剂的制备及应用催化剂的制备及应用2121 溶胶－凝胶法的优势溶胶－凝胶法的优势n n起始原料是分子级的能制备较均匀的材料n n较高的纯度n n组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料n n可降低程序中的温度n n具有流变特性，可用于不同用途产品的制备n n可以控制孔隙度n n容易制备各种形状2222 溶胶－凝胶法的缺陷溶胶－凝胶法的缺陷n n原料成本较高n n存在残留小孔洞n n存在残留的碳n n较长的反应时间n n有机溶剂对人体有一定的危害性2323 溶胶－凝胶法的未来溶胶－凝胶法的未来1994年7月在美国加利福尼亚的圣地亚哥举行的关于Sol－Gel光子学的会议上，展示了三种很有前途的产品：1.1.西班牙的D.Levy小组演示了液晶显示器。
2.2.爱尔兰的B.D.MacCraith发明的光纤传感器3.3.法国的J.Livage制备的生物寄生检测器2424 谢 谢！！2525 。