溶胶-凝胶法的基本概念
溶胶凝胶法
溶胶—凝胶法制备粉体溶胶－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胶溶体系，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。
此方法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。
一、基本原理溶胶是指固体或胶体粒子均匀分散在溶液之中，固体粒子尺寸为1nm左右，含有103—109个原子，比表面积大。
胶体粒子受到布朗运动的作用可以稳定持久地悬浮在液相之中，此外粒子的表面电荷引起的双电荷层使固体粒子更加均匀的分布在溶液之中。
凝胶是随着水分的蒸发，溶胶中固体粒子间聚合能量加强，逐渐失去流动而变成的半固态物质。
分散在溶液中的固体粒子间吸引力与排斥力相当，使得凝胶中固态、液态都存在的高分散状态。
溶胶-凝胶法是以无机聚合反应为基础，以金属醇盐或无机金属盐作为前驱物，用水作为水解剂，有醇为溶剂来制备高分子化合物。
在溶液中前驱物进行水解、缩合反应，形成凝胶。
传统的溶胶-凝胶体系中，反应物通常是金属醇盐，通过醇盐缩水而得到溶胶。
但由于稀土金属的醇盐易水解、成本高等问题，限制了溶胶—凝胶法在更多领域的应用。
因此在很多领域中应用较多的是络合溶胶-凝胶法。
该法在制备前驱液时添加强络合剂，通过可溶性络合物的形成减少前驱液中的自由离子，控制一系列实验条件，移去溶剂后得到凝胶，最后再通过分解的方法除去有机配体而得到粉体颗粒。
溶胶-凝胶过程具体包括以下两个反应过程：1.水解反应是把阴离子取代成羟基，诱发综合反应，形成链状或网状交联的聚合物，金属盐类水解：ML + nH2O →M(OH2)z+n + L z-M(OH2)z+n→M(OH)(OH)(z-1)+n-1 + H+2．缩聚反应是把OR或L和OH换去，转换成氧化态：M-OH + M-OH →M-O-M + H2OM-OH + M-OH →M-O-M + ROH聚合程度决定于原颗粒的大小，而聚合速度取决于水解速率。
溶胶凝胶方法
基本概念 发展历程 基本原理和工艺过程 常用测试方法 应用举例 优势，缺陷 未来
溶胶－凝胶法的基本概念
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。 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。 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。
溶胶－凝胶法的缺陷
原料成本较高 存在残留小孔洞 存在残留的碳 较长的反应时间 有机溶剂对人体有一定的危害性
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. 西班牙的D.Levy小组演示了液晶显示器。 2. 爱尔兰的B.D.MacCraith发明的光纤传感 器。 3. 法国的J.Livage制备的生物寄生检测器。
溶胶－凝胶法的应用
纳米颗粒 纤维 多孔材料
前驱体
溶胶
湿凝胶
气凝胶
涂层、薄膜
干凝胶
致密块体
溶胶－凝胶法应用（1）
—铝胶制备及化学机理
boehmite溶胶
将1M仲丁醇铝的仲丁醇溶液滴入温度高于80℃ 的去离子水中进行水解，生成boehmite沉淀， 加入适量1.6M HNO3，使沉淀胶溶，经老化形 成稳定的溶胶
溶胶－凝胶法应用
—铝胶制备及化学机理
铝盐溶液中，铝离子呈水合状态，即[Al(H2O)6]3+。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 释放出来—水解反应
材料合成与制备 第1章 溶胶-凝胶法
溶胶凝胶化目前主要分为脱水凝胶化和碱性凝胶化两类。
脱水凝胶化过程中(加入强亲水性物质，例已醇)，胶粒脱水，扩 散层中电解质溶解质浓度增加，凝胶化能垒降低。
碱性凝胶化过程中， Mn+ 可通过O2-、OH- 或An-(酸根离子)与配 体 简桥言联之，。体影系响加因入素有OHp-H，值胶、粒温表度面、正A电n-荷的减性少质，、能M(垒H2高O度)n+降的低浓。度等。
(3)溶剂化作用也能稳定溶胶。破坏胶粒之间的有序溶剂层， 使胶粒表层脱除溶剂并相互接触需要一定的溶剂化能量。这种 效应对于亲液溶胶更加明显。
反之，由溶胶制备凝胶的具体方法有以下几种： (1)使水、醇等分散介质挥发或冷却溶胶，使其成为过饱和 液，而形成冻胶。 (2)加入非溶剂，如在果胶水溶液中加入适量酒精后，即形 成凝胶。 (3)将适量的电解质加入胶粒亲水性较强的憎液型溶胶，即 可形成凝胶。 (4)利用化学反应产生不溶物，并控制反应条件可得凝胶。
前驱物溶液(溶 胶)由金属无机 化合物与添加剂 之间的反应形成
密集的粒子
粉末、薄 膜
有机聚合物 型Sol-Gel
过程
前驱物的控制 水解和缩聚
1.由前驱物得到的无机聚合物构 成凝胶网络 2.刚形成的凝胶体 积与前驱物溶液体积完全一样 3. 凝胶形成的参数--胶凝时间随着 过程中其它参数的变化 而变化 4.凝胶透明
3、 20纪80年代以后，广泛应用于功能材料、特种陶瓷材料、晶 体、薄膜材料 、超微粉体、有机-无机杂化材料的制备和应用。从 1981年开始，每二年举办一次溶胶-凝胶科学技术国际会议。溶胶-凝 胶科学已经成为材料科学与工程研究领域的一个重要分支。
三、溶胶-凝胶合成方法的原理
现代溶胶-凝胶技术一般是以金属有机醇盐或无机盐为原料， 溶解于一定的溶剂中形成金属化合物的溶液，然后进行水解、聚合 形成溶胶、凝胶。
第五章 溶胶凝胶
前式表示水解反应的结果。后式则只是反映系统 内发生了脱水和脱醇反应。
脱水缩聚反应： -M-OH+HO-M M-O-M + H2O 脱醇缩聚反应： -M-OH+RO-M M-O-M + ROH
2. 水解－聚合反应的机理过程：
（1）水解反应 水解一般在水、水和醇的溶剂中进行并生成活性 的M－OH，反应可分为三步：
如何解释在酸碱催化条件下的水解过程和结果？
（1）在酸催化条件下，TEOS的水解属亲电子反应机理。 首先，TEOS的一个Si一OR基团迅速质子化，造成Si原 子上的电子云向该一OR基团偏移而呈亲电性，易受水分子 的进攻。水分子从另一侧进攻Si原子，H2O分子上的电子 云向Si偏移而带一正电荷，此时Si原子电子云继续向质子 化一OR基团偏移造成该Si一OR键减弱进而脱离，这样一个 OH一基团便取代了一OR基团。
醇盐溶胶一凝胶法制备玻璃制品的工艺流程
图5.3 醇盐溶胶－凝胶法制备玻璃制品工艺流程
溶胶-凝胶技术的三个基本步骤总结：
（1）将低粘度的金属的醇盐或金属盐（有机或无机） 等先驱体（precursors）均匀混合。先驱体可以提 供最终所需要的金属离子。在某些情况下，先驱体 的一个组分可能就是一种氧化物颗粒溶胶 （colloidal sol）。 （2）制成均匀的溶胶，并使之凝胶。这是决定最终 陶瓷材料化学均匀性的关键步骤。 （3）在凝胶过程中或在凝胶后成型、干燥，然后煅 烧或烧结
5.5.2 催化剂的作用
为调节溶液的酸度而加入的酸或碱实际上起催化 剂的作用。它对溶胶-凝胶反应过程和生成凝胶的结 构都有重要影响。 宏观上表现为对反应溶液体系的粘度随放置时间变化 及凝胶化时间的影响。 如何从溶液粘度与溶液中聚合物的浓度之间的关系来 揭示聚合物的结构特点？
溶胶-凝胶法介绍
• 由于溶剂化对过渡金属阳离子起作用，所形成 的水合阳离子M(H2O)xz+，由离子键向部分共价 键过渡，水分子变得更加显示相对的酸性（这
种溶剂化产物会发生水解放出质子而起酸的作 用），溶剂化分子发生如下变化：
• 水解反应可能会完全，而多数情况下聚合反应会
同时发生。因而在通常的水溶液中金属离子可能 有基三（种 =O配）体。，进即而水派（生出H2各O）种，各羟样基的（金—属O离H子）配和合氧 物基， 一如 羟羟 基基 配一 合水物配［合－物O－[MM(H－2OOH)x-」1(O等H。)](z-1)+、氧
• （1）湿凝胶内包裹着大量的溶剂和水，干燥过程往往伴随 着大量的体积收缩，因而容易引起开裂。
• （2）导致凝胶收缩、开裂的应力：充填于凝胶骨架孔隙中 的液体的表面张力所产生的毛细管力。
• 凝胶尺寸越厚越易开裂。在制备尺寸较大的块体材料应特 别注意。
为什么在凝胶干燥过程中会产生体积收缩？
• （1）在凝胶干燥过程中，由于表面液体的蒸发， 内部的液体所受压力降低，从而这部分液体受 到拉应力，也就相当于骨架受到压应力，因此 产生收缩。
非水解溶胶－凝胶法
在缩聚生成桥氧键-O-时，氧供体是由非水类物质 反应提供的，就是非水解。即在不生成M-OH的情 况下,利用金属卤化物(Metal halogen，MX)与供氧 作用的烷基氧化物(Alkoxide，MOR)反应，通过亲 核 取 代 反 应 直 接 缩 聚 产 生 金 属 桥 氧 键 （ Oxide linkage ， M-O-M ） ， 并 生 成 副 产 物 卤 代 烷 (Alkyl halide, RX)，形成金属氧化物（其中，Si为半金属） 溶胶粒子，进一步交联生长完成凝胶化转变的。
2. 水解－聚合反应的机理过程：
溶胶凝胶法
溶胶凝胶法1 溶胶,凝胶法溶胶,凝胶(Sol-Gel)技术是指金属有机或无机化合物经过溶胶,凝胶化和热处理形成氧化物或其他固体化合物的方法。
其过程:用液体化学试剂(或粉状试剂溶于溶剂)或溶胶为原料，而不是用传统的粉状物为反应物，在液相中均匀混合并进行反应，生成稳定且无沉淀的溶胶体系，放置一定时间后转变为凝胶，经脱水处理，在溶胶或凝胶状态下成型为制品，再在略低于传统的温度下烧结。
2 溶胶凝胶法基本原理溶胶,凝胶法的主要步骤为将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其他组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理制成产品。
2.1 水解反应金属盐在水中的性质受金属离子半径，电负性，配位数等因素影响，如Si、Al 盐，它们溶解于纯水中常电离出Mn+，并溶剂化[3]。
水解反应平衡关系随溶液的酸度，相应的电荷转移量等条件的不同而不同。
有时电离析出的Mn+又可以形成氢氧桥键合。
水解反应是可逆反应，如果在反应时排除掉水和醇的共沸物，则可以阻止逆反应进行，如果溶剂的烷基不同于醇盐的烷剂，则会产生转移酯化反应，这些反应对合成多组分氧化物是非常重要的。
2.2 聚合反应硅、磷、硼以及许多金属元素，如铝、钛、铁等的醇盐或无机盐在水解的同时均会发生聚合反应，如失水、失醇、缩聚、醇氧化、氧化、氢氧桥键合等都属于聚合反应，性质上都属于取代反应或加成反应。
主要反应:,M,OH ，HO,M, ? ,M,O,M,+H2O ;,M,OR + HO,M, ? ,M,O,M,+ROH 等。
Okkerse等提出硅酸在碱性条件聚合成六配位过渡态，Swain等则提出形成稳定的五配位的过渡态，由于硅酸盐的水解和聚合作用几乎同时进行，它的总反应过程动力学将决定于3个反应速率常数，使得在最临近的尺度范围内，中心Si原子可以有15种不同的化学环境，R.A.Assink等曾描述了这15种配位方式的关系。
可见聚合后的状态是很复杂的[4-6]。
第五章溶胶凝胶法
有机或无机金属盐的选择：
当选择金属盐类作为先驱体时，需选择那些易溶 于有机溶剂，易分解而且分解后的残留物尽量少 的物质。
（1）在无机盐类中，一般优先选用硝酸盐，因 为其他盐类，如硫酸盐和氯化物，热稳定性一般 比硝酸盐高，因此在最终产品中有时很难将相应 的阴离子去除。
1. 金属醇盐的水解－聚合反应的总反应：
在醇盐一醇一水体系中，由醇盐的水解一缩聚反应形成无 水氧化物网络结构的净反应可表达为：
前式表示水解反应的结果。后式则只是反映系统内 发生了脱水和脱醇反应。
脱水缩聚反应：-M-OH+HO-M 脱醇缩聚反应：-M-OH+RO-M
M-O-M + H2O M-O-M + ROH
（3）溶胶－凝胶法中的条件控制：
A 溶剂的选择：由于多数醇盐与水是不混溶的， 因此为了水解反应均匀进行，需要使用一种两 者的共同溶剂把它们均匀混合，一般使用乙醇。
B 先驱体的浓度； C H2O同醇盐的比值； D 催化剂的种类和浓度； E 添加剂
5.4.3 凝胶化过程
凝胶化过程的简述：缩聚反应形成的聚合物或粒 子聚集体长大为小粒子簇，后者逐渐相互连接成 为一个横跨整体的三维粒子簇连续固体网络。这 种形成凝胶的过程和粒子团聚形成沉淀的过程完 全不同。
聚合工艺的前体是金属醇盐，将醇盐溶解在有机 溶剂中，加入适量的水，醇盐水解，通过脱水、 脱醇反应缩聚合，形成三维网络。
四正丁氧基锆 Zr(OC4H9)4
醇盐溶胶一凝胶法制备玻璃制品的工艺流程
ZnSe/SiO2纳米复合材料的制备工艺流程
溶胶凝胶法
溶胶—凝胶法制备粉体溶胶－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胶溶体系，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。
此方法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。
一、基本原理溶胶是指固体或胶体粒子均匀分散在溶液之中，固体粒子尺寸为1nm左右，含有103—109个原子，比表面积大。
胶体粒子受到布朗运动的作用可以稳定持久地悬浮在液相之中，此外粒子的表面电荷引起的双电荷层使固体粒子更加均匀的分布在溶液之中。
凝胶是随着水分的蒸发，溶胶中固体粒子间聚合能量加强，逐渐失去流动而变成的半固态物质。
分散在溶液中的固体粒子间吸引力与排斥力相当，使得凝胶中固态、液态都存在的高分散状态。
溶胶-凝胶法是以无机聚合反应为基础，以金属醇盐或无机金属盐作为前驱物，用水作为水解剂，有醇为溶剂来制备高分子化合物。
在溶液中前驱物进行水解、缩合反应，形成凝胶。
传统的溶胶-凝胶体系中，反应物通常是金属醇盐，通过醇盐缩水而得到溶胶。
但由于稀土金属的醇盐易水解、成本高等问题，限制了溶胶—凝胶法在更多领域的应用。
因此在很多领域中应用较多的是络合溶胶-凝胶法。
该法在制备前驱液时添加强络合剂，通过可溶性络合物的形成减少前驱液中的自由离子，控制一系列实验条件，移去溶剂后得到凝胶，最后再通过分解的方法除去有机配体而得到粉体颗粒。
溶胶-凝胶过程具体包括以下两个反应过程：1.水解反应是把阴离子取代成羟基，诱发综合反应，形成链状或网状交联的聚合物，金属盐类水解：ML + nH2O → M(OH2)z+n+ L z-M(OH2)z+n→ M(OH)(OH)(z-1)+n-1+ H+2．缩聚反应是把OR或L和OH换去，转换成氧化态：M-OH + M-OH → M-O-M + H2OM-OH + M-OH → M-O-M + ROH聚合程度决定于原颗粒的大小，而聚合速度取决于水解速率。
溶胶凝胶法
溶胶-凝胶法溶胶-凝胶法(Sol-Gel法，简称S-G法)就是以无机物或金属醇盐作前驱体，在液相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。
溶胶-凝胶法由于其前驱物及其反映条件的不同可以分为以下几种制备方法。
l、金属醇盐水解法该方法的基本过程是将醇盐溶于有机溶剂，然后在搅拌的同时缓慢加入蒸馏水的醇溶液，控制一定的pH值，经反应一定时间即可得到溶胶。
溶胶的化学均匀程度一方面受到前驱液中各醇盐混合水平的影响，这与醇盐之间的化学反应情况密切相关；另一方面，每种醇盐对水的活性也有很大的差异。
当金属醇盐之间不发生反应时，各种金属醇盐对水的活性起决定作用，反应活性的不同导致溶胶不均匀。
添加有机络合剂是克服这些问题切实可行的办法，常用的络合剂有羧酸或β-二酮等添加剂。
2、强制水解法该方法的基本过程是将将所要制备的金属氯化物加到氯化氢的水溶液中，将其加热到沸腾反应一段时间即得到对应的溶胶。
这种方法在制备氧化物在氧化物阳极材料的制备中也得到了较为广泛的应用。
3.金属醇盐氨解法4、原位聚合法及聚合螫合法这种方法的作用机理是有机单体聚合形成不断生长的刚性有机聚合网络，包围稳定的金属螫合物，从而减弱各种不同离子的差异性，减少各金属在高温分解中的偏析溶胶-凝胶法就是将含高化学活性组分的化合物经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法。
⑴Sol-Gel法的基本原理及特点S01-Gel法的基本反应步骤如下：1)溶剂化：金属阳离子M z+吸引水分子形成溶剂单元M(H2O)nx+，为保持其配位数，具有强烈释放H+的趋势。
M(H2O)nx+→M(H2O)n-1(OH)(x-1)+H+2)水解反应：非电离式分子前驱物，如金属醇盐M(OR)n与水反应。
1.12溶胶-凝胶法
• 溶胶-凝胶法的工艺过程 • 1）溶胶的制备 • 将金属醇盐或无机盐经过水解、缩合反应形成溶胶，或经过解凝形成 前体溶胶；前体溶液是反应的主体, 为了保证水解反应在分子均匀的 水平上进行, 需要制备包含醇盐、有机溶剂和水的均相溶液。 • 在研究中常用醇作为溶剂, 因为醇既能与醇盐互溶, 又与水互溶。醇的 加入量应适中, 加人量太少会使溶液不均匀产生互不相溶区, 加入量过 多则对水解反应有抑制作用； • 前体溶液中的前驱物是整个溶胶-凝胶过程中具有决定性的要素之一, 常用的有金属醇盐, 其重要特征是分子间会发生缔合反应, 这不仅影响 醇盐自身的理化性质溶解性、挥发性和粘度等, 而且影响到溶胶-凝胶 过程和最终涂层的厚度、均匀性及粘结强度缔合反应会使溶有多种醇 盐的落液形成多核的不稳定体, 这对于合成分子级均匀的多组分材料 具有重要意义。 • 该过程的主要影响因素有水的加入量、pH、滴加速度、反应温度等因 素。
• （2）薄膜涂层材料 • 制备薄膜涂层材料是溶胶-凝胶法最有前途 的应用方向，工艺过程：溶胶制备→基材 预备→涂膜→干燥→热处理，目前应用已 经制备出光学膜、波导膜、着色膜、电光 效应膜、分离膜、保护膜等
• （3）超细粉末 • 运用溶胶-凝胶法，将所需成分的前驱物配制成混 合溶液，形成溶胶后，继续加热使之成为凝胶， 将样品放于电热真空干燥箱在高温抽真空烘干， 得干凝胶，取出在玛瑙研钵中研碎，放于高温电 阻炉中煅烧，取出产品，冷却至室温后研磨即可 得超细粉末。目前采用此法已制备出种类众多的 氧化物粉末和非氧化物粉末。如NdFeO3 的制备
• 溶胶-凝胶法的化学过程根据原料不同可以分为有机工艺和无 机工艺，根据溶胶-凝胶过程的不同可以分为胶体型Sol-Gel 过程、无机聚型Sol-Gel过程和络合物型Sol-Gel 过程，这些 溶胶-凝胶过程的特征见表
溶胶凝胶法及其应用
溶胶凝胶法及其应用摘要介绍了溶胶凝胶法的概念、发展、原理、工艺以及应用关键词溶胶凝胶法一.基本概念和发展历程1．基本概念:溶胶一凝胶法是以金属有机或无机化合物溶液为原料, 经水解、缩合反应生成的溶液中显示分散流动性的亚微米级超微粒溶胶, 再将其与超微粒结合,形成外表层固化凝胶, 再经过热处理而制成氧化物或其他化合物固体的方法[1]。
2．发展历程:1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。
20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。
1971年德国H.Dislich报道了通过金属醇盐水解制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。
1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜。
80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成功应用。
[2]二.基本原理和工艺过程1.基本原理:溶胶－凝胶法的主要步骤为将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其他组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理制成产品。
[3]2.工艺过程: Sol-Gel法的工艺过程如图1所示。
图1溶胶-凝胶法的化学过程根据原料不同可以分为有机工艺和无机工艺, 根据溶胶-凝胶过程的不同可以分为胶体型Sol-Gel过程、无机聚合物型Sol-Gel过程和络合物型Sol-Gel 过程,这些溶胶-凝胶过程的特征见表1。
[4]表1 不同溶胶2凝胶过程的特征三.优势、劣势和应用1.优势:(1)制品的均匀度高,尤其是多组份的制品,其均匀度可达分子或原子尺度。
(2)制品的纯度高，因为所用原料的纯度高，而且溶剂在处理过程中易被出去。
(3)烧成温度比传统方法约低400—500℃，因为所需生成物在烧成前已部分形成，且凝胶的比表面积很大。
(4)反应过程易于控制，大幅度减少支反应、分相，并可避免结晶等（对制玻璃而言）。
溶胶-凝胶法
成混合溶液，经凝胶化、热处理后，一般都能
获得性能指标较好的粉末。这是由于凝胶中含
有大量液相或气孔，使得在热处理过程中不易
使粉末颗粒产生严重团聚，同时此法易在制备
过程中控制粉末颗粒度。
溶胶-凝胶法制 备氧化铝纤维
实验方法
通过混合铝三异丙醇 和蒸馏水在酸性催化 剂存在的条件下回流 制备溶胶。
在溶胶中添加不同量的粘 结剂可获得可纺性，在适 当的粘度下，将溶胶装入 注射器中，在氨溶液的条 件下可制得纤维。
气氛炉合成
微波合成
烧结方式
超细ZrB2粉体
超细ZrB2粉体合成工艺流程图
使用溶胶-凝胶法 制备ZrB2粉体， 不但样品的粒径 达到了纳米级的 要求，而且样品 的纯度也比其他 方法要高的多。
样 品
粒径(nm) 纯度(%)
Zr:4B:25C
34.76 91.17
• 运用溶胶—凝胶法，将所需成分的前驱物配制
等离子体扫描烧结铝酸盐前驱体， 可得到适当厚度的无裂纹的薄膜， 而且等离子体扫描烧结所需的热量 要显著低于常规炉烧结的热量。
• 制备涂层和薄膜材料是溶胶—凝胶法最
有前途的应用方向。其制备过程为: 将溶 液或溶胶通过浸渍法或转盘法在基板上 形成液膜，经凝胶化后通过热处理可转 变成无定形态(或多晶态)的膜或涂层。 膜层与基体的适当结合可获得基体材料 原来没有的电学、光学、化学和力学等 方面的特殊性能。
互连接的坚实的网络。
原理
• 不论所用的前驱物(起始原料) 为无机盐或金属
醇盐，其主要反应步骤都是前驱物溶于溶剂(
水或有机溶剂) 中形成均匀的溶液，溶质与溶
剂产生水解或醇解反应，反应生成物聚集成1
nm 左右的粒子并组成溶胶，溶胶经蒸发干燥
溶胶-凝胶法
溶胶－凝胶合成法比较
Sol-Gel 过程类型
化学特征
调整pH值或加入电解 质使粒子表面电荷中 和，蒸发溶剂使粒子 形成凝胶
凝胶
C.固溶胶, 分散介质为固体 (固体乳胶) 固-固溶胶(Solid dispersion ), (s/s), 有色玻璃， 不完全 互溶的合金 固-液溶胶(Solid emusion), (l/s), 如珍珠， 某些宝石 固-气溶胶(Solid (Foam) , (g/s ), 泡沫塑料
胶体体系的特点：多相不均匀性 多分散性，胶团结构 聚结的不稳定性 胶团组成与结构的不确定性 胶体溶液（溶胶）与真溶液的区别： 热力学上不稳定的物系 多相体系，分散相与分散介质存在相界面， 胶态粒子大小不一，要用平均胶团量 及其分布曲线表示 胶团无确定的组成与结构，且可分裂， 受外界条件和添加剂影响很大
聚 回 合 流
OCH3 OCH3 CH3O—Si——O——Si— OCH3 OCH3 OCH3
HO—Si—O—Si—O—Si—OCH3 OH O OH OH—Si—OH OCH3
蒸馏 聚合
3)、络和物法：
使金属离子和含羟基的羧酸形成螯合物，适 当温度下缩合(使发生脂化反应)形成溶胶(Sol), 进一步蒸馏，除去生成的过量水，即进一步聚 脂化反应、缩合，形成凝胶（gel）。 形成的凝胶有横向交联（3维），还有非横向 交联（非完整3维，易溶于水）。
SoБайду номын сангаас的胶凝－凝胶
当溶胶发生热、化学变化，或溶剂失去时，使 胶体粒子浓度增加，粒子之间距离靠近，或荷 电为零，从而使胶体粒子的构成分子之间缩聚 或聚合，形成具有分散液体在空隙或胶团内的 三维网络结构，其过程称为胶凝，胶凝的产物 就叫凝胶。
溶胶凝胶的历史
溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法
溶胶-凝胶法是一种制备纳米材料的方法，也被称为凝胶法或者凝胶-溶胶法。
该方法通过溶液中的化学反应和物理作用，使得溶胶逐渐转变为凝胶，最终形成纳米材料。
在溶胶-凝胶法中，首先需要制备溶胶。
溶胶是一种均匀分散的胶体，由纳米颗粒和分散介质组成。
通常使用溶胶前驱体（例如金属盐或有机化合物）在溶剂中进行水解、聚合、凝聚等反应，形成纳米颗粒。
这些纳米颗粒在溶剂中均匀分散，形成溶胶。
接着，将溶胶放置在适当的条件下，使其逐渐转变为凝胶。
凝胶是一种高度交联的三维结构，由纳米颗粒和分散介质形成。
凝胶的形成通常是由于溶胶中的纳米颗粒之间发生了相互作用，例如静电吸引力、范德华力、氢键等。
凝胶的形成过程可以通过控制温度、pH值、添加剂等条件进行调控。
最后，将凝胶进行热处理或化学处理，使其形成纳米材料。
热处理可以通过高温煅烧，使凝胶中的纳米颗粒结晶成为纳米晶体。
化学处理可以通过还原、氧化等反应，使凝胶中的纳米颗粒发生化学变化，形成不同的纳米材料。
溶胶-凝胶法具有制备多种纳米材料的优点，例如金属氧化物、金属纳米颗粒、碳纳米管等。
该方法具有制备成本低、制备过程简单、纳米材料形貌可控等优点。
因此，溶胶-凝胶法在纳米材料制备领域中得到了广泛的应用。
溶胶凝胶法
溶胶凝胶法溶胶凝胶法是一种有效的化学分离技术，它是一种溶解材料，或者从混合物中抽取溶解物质的方法。
它包括自由基、非自由基和非电聚合物。
它具有优势，如在短时间内可以获得高质量的样品，简便、高效和无污染。
溶胶凝胶法由三步完成：第一步，样品可以与溶剂混合，以获得阶梯状溶液的形式，即溶胶。
溶胶的形式就像一个梯级，它将低密度的溶质和浓度的溶质分开。
溶胶的效果取决于混合物的性质和混合物中溶质的多少。
第二步，溶胶会通过一个特殊的设备来滤除，即滤膜法。
滤膜法是用来滤除溶胶中的溶质的，其主要原理是利用滤膜的孔径来控制，只有滤膜孔径大于溶质的粒径的溶质才可以通过滤膜，以达到滤除溶质的目的。
第三步，使用凝胶法来无油抽动。
凝胶法既可以用于抽出溶胶，也可以用于无油抽滤。
它的原理是利用凝胶法中的低沸点溶剂，以及凝胶法中的不溶物，使用抽滤和脱油技术，将溶质抽出溶胶，以获得最终的抽出液。
溶胶凝胶法可以用于多种混合物和样品的处理，它能够以精确、快速、有效的方式进行分离提纯，它也可以把低分子量的物质分离出来，并且在获得高质量的样品的同时，有效地消除有害物质，即使在高活性物质中，因此被认为是分离技术发展的重要组成部分。
溶胶凝胶法在实际应用中也有一些缺点，如溶胶法受温度和溶质浓度的影响，从而影响抽出物的质量；滤膜法受温度和滤膜材料的影响，从而影响抽出物的质量；凝胶法受脱油技术的影响，从而影响抽出物的质量。
但是，溶胶凝胶法仍然是一种简便、高效和可靠的分离技术，它在短时间内能够获得高质量的样品。
溶胶凝胶法应用广泛，不仅用于生物样品的分离技术，如蛋白质、酶、抗体的分离和纯化，也可以用于其他物质的分离，如食品和药物中活性成分的提取。
总而言之，溶胶凝胶法是一种简单易行、低污染、快速有效、能获得高质量产品的分离技术，它具有很大的应用潜力，在生物、化学、食品和药物等多领域均有广泛的应用前景。
溶胶凝胶法是一种保证溶液和溶液混合物的稳定性，它按照一定的程序和条件，以达到实验目的的重要技术手段，在溶质的分离和提纯领域的应用中发挥着重要的作用。
溶胶凝胶法的名词解释
溶胶凝胶法的名词解释溶胶凝胶法是一种常用于材料科学和化学工程领域的制备方法，它通过将溶胶转化为凝胶的过程来制备具有特殊结构和性质的材料。
本文将对溶胶凝胶法的原理、应用和制备过程进行详细解释。
一、溶胶和凝胶的定义在理解溶胶凝胶法之前，我们首先需要了解溶胶和凝胶的定义。
溶胶是指在溶剂中形成均匀分散的微粒或分子团，这些分散相通常是纳米级粒子或胶体。
凝胶则是指在溶剂中形成的三维网络结构，其内部充满连续的介孔结构。
二、溶胶凝胶法的原理溶胶凝胶法的核心原理是通过在溶液中形成溶胶体系，然后通过物理或化学手段使其转变为凝胶体系。
其中，凝胶的形成可以通过滴定、水解、凝聚、溶胶冻结和溶剂蒸发等方法实现。
溶胶凝胶法的原理基于溶胶和凝胶的多相平衡、物理化学交换和聚集机制，从而实现特定结构和性能材料的合成。
三、溶胶凝胶法的应用领域由于其灵活性和可控性，溶胶凝胶法在材料科学和化学工程领域具有广泛的应用。
以下是一些常见的溶胶凝胶法的应用领域：1. 催化剂制备：溶胶凝胶法可用于制备具有高比表面积和孔隙结构的催化剂，以提高反应效率和选择性。
2. 电池材料：溶胶凝胶法可以制备用于锂离子电池、燃料电池和超级电容器等能量存储材料，以提高其循环稳定性和容量。
3. 光催化材料：溶胶凝胶法可用于合成纳米尺度的光催化剂，用于水分解、有机污染物降解和人工光合作用等领域。
4. 生物医学材料：溶胶凝胶法可以制备具有特殊生物相容性和生物活性的材料，用于组织工程、药物传递和生物传感器等应用。
四、溶胶凝胶法的制备过程具体的溶胶凝胶法的制备过程会因不同材料和应用而有所差异，但通常包括以下基本步骤：1. 溶胶制备：将所需物质溶解在适当的溶剂中，形成均匀的溶液。
2. 凝胶形成：通过加热、冷却、溶剂蒸发或添加凝胶剂等方法，使溶胶转变为凝胶。
3. 凝胶成型：将凝胶体系进行成型，例如通过注射、浇铸或模压等方法。
4. 凝胶干燥：对凝胶进行适当的干燥处理，以去除溶剂并稳定凝胶结构。
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溶胶－凝胶法的基本概念
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。
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1～1000n m之间。
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。
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。
溶胶－凝胶法的基本概念－溶胶与凝胶的结构比较
溶胶－凝胶法的发展历程
1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后，发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。
20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。
1971年德国H.Dislich报道了通过金属醇盐水解制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。
1975年B.E.Yoldas和M.Yam ane制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜。
80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成功应用。
溶胶－凝胶法的基本原理
溶剂化：
M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+
水解反应：
M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH------M(OH)n
缩聚反应
失水缩聚：-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2O
失醇缩聚：-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH
溶胶－凝胶法的基本原理－水解反应机理
溶胶－凝胶法的基本原理－缩聚反应机理
溶胶－凝胶法的工艺过程
溶胶－凝胶法常用测试方法
测定前驱物金属醇盐的水解程度（化学定量分析法）
测定溶胶的物理性质（粘度、浊度、电动电位）
胶粒尺寸大小（准弹性光散射法、电子显微镜观察）
溶胶或凝胶在热处理过程中发生的物理化学变化（XRD、中子衍射、DTA－TG）
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）
溶胶、凝胶粒子中的结构（GC－MS）
固态物体的核磁共振谱测定M－O结构状态
溶胶－凝胶法的应用
溶胶－凝胶法应用（1）—铝胶制备及化学机理
boehmite溶胶
将1M仲丁醇铝的仲丁醇溶液滴入温度高于80℃的去离子水中进行水解，生成boehmite沉淀，加入适量1.6M HNO3，使沉淀胶溶，经老化形成稳定的溶胶
溶胶－凝胶法应用—铝胶制备及化学机理
铝盐溶液中，铝离子呈水合状态，即[Al(H2O)6]3+。
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
释放出来—水解反应
[Al(H2O)6]3+ =[Al(OH)(H2O) 5]2+ +H+
[Al(OH)(H2O) 5]2+ =[Al(OH)2(H2O) 4] ++H+
[Al(OH)2(H2O) 4]+ =[Al(OH)3(H2O) 3]0 +H+
溶液的Ph值升高，水解程度增大
溶胶－凝胶法应用—铝溶胶制备及化学机理
水解反应生成的沉淀[Al(OH)3(H2O) 3]0在溶液酸度提高时，能够溶解，变成离子，形成沉淀-胶溶反应（Precipitation-Peptization）
n [Al(OH)3(H2O) 3]0 +xHNO3 =
{ [Al(OH)3(H2O) 3]nHx}x+ +xNO3-
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。
溶胶－凝胶法的应用（2）－功能材料中制备粉体材料
溶胶－凝胶法的应用－功能材料中制备纤维
溶胶－凝胶法的应用－功能材料中制备膜材料
溶胶－凝胶法的应用－功能材料中制备单晶
溶胶－凝胶法的应用－功能材料中制备复合材料
溶胶－凝胶法的应用（3）－催化剂的制备及应用
溶胶－凝胶法的优势
起始原料是分子级的能制备较均匀的材料
较高的纯度
组成成分较好控制，尤其适合制备多组分材料
可降低程序中的温度
具有流变特性，可用于不同用途产品的制备
可以控制孔隙度
容易制备各种形状
溶胶－凝胶法的缺陷
原料成本较高
存在残留小孔洞
存在残留的碳
较长的反应时间
有机溶剂对人体有一定的危害性
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：
西班牙的D.Levy小组演示了液晶显示器。
爱尔兰的B.D.MacCraith发明的光纤传感器。
法国的J.Livage制备的生物寄生检测器。