第二章溶胶凝胶法ppt课件
合集下载
溶胶凝胶ppt课件
溶胶－凝胶
凝胶处理
干燥及热处理
前驱体选择
老化方式
老化时间
干燥方法 热处理工艺
反应配比 反应时间 溶液pH值
静 止 老 化
加 入 老 化 液
常 压 干 燥
冷 冻 干 燥
超 临 界 干 燥
反应时间
金属离子半径
络合剂
催化剂
4. 溶胶-凝胶工艺参数
前驱体选择
金属醇盐
易水解、技术成熟、可通过调节pH值控制反应进程
• 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 无固定形状
固相粒子自由运动
凝胶 固定形状 固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动
* 特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面积 *
溶胶－凝胶法的基本概念
水解
缩聚
固化
溶液
溶胶
凝胶
凝胶
溶胶凝胶法制备氧化铝粉末实例
凝胶体
干燥后的胶状体
烧结后的纳米氧化铝粉
溶胶—凝胶法
• 溶胶-凝胶法是指一些易水解的金属化合物(无机盐或金属
醇盐)，在饱和条件下，经水解和缩聚等化学反应首先制 得溶胶，继而将溶胶陈化、干燥和固化。
• 根据原料的种类可分有机金属醇盐法和无机盐法两种。
凝胶
胶体型
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
1.密集的粒子形成凝胶网络 2.凝胶中固相含量较高 3.凝胶透明，强度较弱
无机 聚合物
型
络合物 型
前驱体水解和聚合
络合反应导致较大 混合配合体的络合
物的形成
3-2 溶胶-凝胶法 PPT
胶体溶胶
干凝胶
干燥
纯化,浓缩
洗涤过滤
水凝胶
凝 聚
陈化
成型
颗粒
煅烧
催化剂
5
二.金属盐溶液的选择
1.阳离子选取：催化剂中所用的金属离子。 2.阴离子的选取：阴离子的选择涉及多方面的因素。 例如：溶解度、杂质含量、易获性、价格等可能存在的问题 等，应综合考虑。 阴离子应该比较容易经分解、挥发或洗涤除去。
溶胶凝胶法是指无机物或金属醇盐经过溶 液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而形 成氧化物或其它化合物固体的方法。
2
不同溶胶-凝胶过程的特征
化学特征
凝胶
前驱物
应用
胶体型 Sol-Gel 过程
无机聚 合物型 Sol-Gel 过程
络合物 型SolGel过程
调整pH值／加入电 解质／ 蒸发溶剂使 粒子形成凝胶网络
§3-2 溶胶-凝胶法
一.sol-gel法制备过程 二.金属盐溶液的选择 三.沉淀过程 四.胶凝过程 五.陈化 六.洗涤过滤 七.干燥 八.煅烧
1
作为载体，必须有大表面积和多孔的性质， 作为非负载的单一组分催化剂，也通常是制 成大表面积和高孔隙率的，对这类物质，一 般采用sol- gel法(溶胶-凝胶法) 。
（3）影响成核、长大速率的因素 A. 过饱和度↑ ，VN↑ B. 盐类极性↑， Vg ↑ ，常生成晶形沉淀
（4）沉淀的溶解度对晶粒大小的影响
沉淀的溶解度越大越易形成粗晶型
12
四.胶凝过程
胶凝过程对催化剂孔结构、比表面会产生很大影响
例如：PH=4时，硅胶胶粒最小，比表面最大 Sg=730m2/g,孔径=3.3nm,孔容最小为Vg=0.62ml/g
ε1
溶胶凝胶法PPT课件
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。
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。
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－凝胶法的应用
－功能材料中制备纤维
Si(OCH3)4 C2H5OH
H2O,HCl
溶胶凝胶法PPT演示课件
• 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。
2020/5/24
5
一、溶胶---凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望
2020/5/24
6
二、溶胶一凝胶法的基本原理
sol-gel法制备薄膜涂层的基本原理是：将金属醇 盐或无机盐作为前驱体，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，反应生成物聚集成几个纳米左右的粒 子并形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行 涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干 凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的 涂层。
(1)有机醇盐水解法 (2)无机盐水解法
此外还有：
2020/5/24
13
（3）熔融-淬冷法
熔融-淬冷法是以无机氧化物作为前驱物，加 热至完全熔融状态，然后迅速将其急淬于冷 水中并快速搅拌均匀，通过无机氧化物粒子 迅速溶解并进而聚集成胶体粒子溶胶化而形 成溶胶。
（4）离子交换法
该方法通常可分为3个步骤：活性硅酸制备， 胶粒增长和稀硅溶胶浓缩。
2020/5/24
3
➢20世纪70 年代，sol-gel技术被成功地应用于 制备块状多组分凝胶玻璃，得到材料界研究 者的广泛关注并获得迅速发展。
➢20 世纪80年代以来，sol-gel技术进入了发展 的高峰时期。
2020/5/24
4
基本概念
• 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 1～100nm之间。
9
（2）无机盐的溶胶－凝胶原理： 首先获得溶胶的前驱体溶液，再经水解来制得。
2020/5/24
5
一、溶胶---凝胶法的发展 二、溶胶一凝胶法的基本原理 三、溶胶一凝胶法工艺过程 四、在制备材料方面的应用 五、展望
2020/5/24
6
二、溶胶一凝胶法的基本原理
sol-gel法制备薄膜涂层的基本原理是：将金属醇 盐或无机盐作为前驱体，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，反应生成物聚集成几个纳米左右的粒 子并形成溶胶，再以溶胶为原料对各种基材进行 涂膜处理，溶胶膜经凝胶化及干燥处理后得到干 凝胶膜，最后在一定的温度下烧结即得到所需的 涂层。
(1)有机醇盐水解法 (2)无机盐水解法
此外还有：
2020/5/24
13
（3）熔融-淬冷法
熔融-淬冷法是以无机氧化物作为前驱物，加 热至完全熔融状态，然后迅速将其急淬于冷 水中并快速搅拌均匀，通过无机氧化物粒子 迅速溶解并进而聚集成胶体粒子溶胶化而形 成溶胶。
（4）离子交换法
该方法通常可分为3个步骤：活性硅酸制备， 胶粒增长和稀硅溶胶浓缩。
2020/5/24
3
➢20世纪70 年代，sol-gel技术被成功地应用于 制备块状多组分凝胶玻璃，得到材料界研究 者的广泛关注并获得迅速发展。
➢20 世纪80年代以来，sol-gel技术进入了发展 的高峰时期。
2020/5/24
4
基本概念
• 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 1～100nm之间。
9
（2）无机盐的溶胶－凝胶原理： 首先获得溶胶的前驱体溶液，再经水解来制得。
第二章溶胶凝胶法ppt课件(2024版)
25
醇-金属醇盐体系的缩聚反应
M(OR)n+xH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH -M-OH + HO-M- -M-O-M- + H2O -M-OH + RO-M- -M-O-M- +ROH
S ( O i ) 4 S H ( O i ) 4 H ( O ) 3 S H O iS ( O i ) 3 H
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
2
2. 溶胶(sol) 具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了 1~100nm粒子(基本单元)。
溶胶的特点： （1）溶胶不是物质而是一种“状态”
3
（2）溶胶与溶液的相似之处 溶质+溶剂→溶液 分散相+分散介质→溶胶(分散系)
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
Si(OCH3)4(液体) > Si(OC2H5)4(液体) > Si(OC3H7)4(液体) > Si(OC4H9)4
② 在制备多组分氧化物溶胶时，不同元素醇盐的 水解活性不同
选择合适的醇盐品种，可使它们的水解速率达到较好 的匹配，从而保证溶胶的均匀性。
39
③ 起始溶液中的醇盐浓度必须保持适当 作为溶剂的醇加入量过多时，将导致醇盐浓度
1 预热到30C 控制在35C-
3 60C之间
B: 6 ml无水乙醇 2 ml乙酸 1.5ml浓盐酸 3 ml蒸馏水
A:23ml无水乙醇 20ml钛酸丁脂
28
淡黄色透 静置5—10min 明冻状溶 红外灯照射1—2h
胶
黄色干凝胶
80C恒温5h 干凝胶粉末
不同温 度焙烧
醇-金属醇盐体系的缩聚反应
M(OR)n+xH2OM(OH)x(OR)n-x+xROH -M-OH + HO-M- -M-O-M- + H2O -M-OH + RO-M- -M-O-M- +ROH
S ( O i ) 4 S H ( O i ) 4 H ( O ) 3 S H O iS ( O i ) 3 H
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
2
2. 溶胶(sol) 具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了 1~100nm粒子(基本单元)。
溶胶的特点： （1）溶胶不是物质而是一种“状态”
3
（2）溶胶与溶液的相似之处 溶质+溶剂→溶液 分散相+分散介质→溶胶(分散系)
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
Si(OCH3)4(液体) > Si(OC2H5)4(液体) > Si(OC3H7)4(液体) > Si(OC4H9)4
② 在制备多组分氧化物溶胶时，不同元素醇盐的 水解活性不同
选择合适的醇盐品种，可使它们的水解速率达到较好 的匹配，从而保证溶胶的均匀性。
39
③ 起始溶液中的醇盐浓度必须保持适当 作为溶剂的醇加入量过多时，将导致醇盐浓度
1 预热到30C 控制在35C-
3 60C之间
B: 6 ml无水乙醇 2 ml乙酸 1.5ml浓盐酸 3 ml蒸馏水
A:23ml无水乙醇 20ml钛酸丁脂
28
淡黄色透 静置5—10min 明冻状溶 红外灯照射1—2h
胶
黄色干凝胶
80C恒温5h 干凝胶粉末
不同温 度焙烧
溶胶-凝胶原理及应用PPT资料321页
因之一。 • （4）稳定性质：聚沉 • （5）透过性：渗析——提纯、精制胶体。
5.凝胶(gel)：亦称冻胶，是溶胶失去流动性后，一 种富含液体的半固态物质，其中液体含量有时可高 达99.5%，固体粒子则呈连续的网络体。它是指胶 体颗粒或高聚物分子相互交联，空间网络状结构不 断发展，最终使得溶胶液逐步失去流动性，在网状 结构的孔隙中充满液体的非流动半固态的分散体系， 它是含有亚微米孔和聚合链的相互连接的坚实的网 络。
（1）凝胶是一种柔软的半固体，由大量胶束组成 三维网络，胶束之间为分散介质的极薄的薄层
所谓“半固体”是指表面上是固体、而内部仍 含液体。后者的一部分可通过凝胶的毛细管作用从 其细孔逐渐排出。
（2）凝胶结构可分为四种：
1)有序的层状结构；
2)完全无序的共价聚合网络；
3)由无序控制分散系情况：
表1-1 溶胶态分散系示例
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
分散介质分散介质
气体 气体 液体 液体 液体 固体 固体
示例
雾 烟 泡沫 牛乳 胶态石墨 矿石中的液态夹杂物 矿石中的气态夹杂物
（4）根据分散相对分散介质的亲、疏倾向，将溶胶分 成两类。
1)分散相具有亲近分散介质倾向的：称作亲液 （lyophilic）溶胶或乳胶，所谓水乳交融；
溶胶(sol)是 （1）溶胶不是物质而是一种“状态”。
溶胶中的固体粒子大小常在1~5nm，也就是在胶体 粒中的最小尺寸，因此比表面积十分大。
（2）最简单的溶胶与溶液在某些方面有相似之处： 溶质+溶剂→溶液
分散相+分散介质→溶胶(分散系)
(3)溶胶态的分散系由分散相和分散介质组成 1)分散介质:气体，即为气溶胶； 水，即水溶胶； 乙醇等有机液体； 也可以是固体。 2)分散相:可以是气体、液体或固体，
5.凝胶(gel)：亦称冻胶，是溶胶失去流动性后，一 种富含液体的半固态物质，其中液体含量有时可高 达99.5%，固体粒子则呈连续的网络体。它是指胶 体颗粒或高聚物分子相互交联，空间网络状结构不 断发展，最终使得溶胶液逐步失去流动性，在网状 结构的孔隙中充满液体的非流动半固态的分散体系， 它是含有亚微米孔和聚合链的相互连接的坚实的网 络。
（1）凝胶是一种柔软的半固体，由大量胶束组成 三维网络，胶束之间为分散介质的极薄的薄层
所谓“半固体”是指表面上是固体、而内部仍 含液体。后者的一部分可通过凝胶的毛细管作用从 其细孔逐渐排出。
（2）凝胶结构可分为四种：
1)有序的层状结构；
2)完全无序的共价聚合网络；
3)由无序控制分散系情况：
表1-1 溶胶态分散系示例
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
分散介质分散介质
气体 气体 液体 液体 液体 固体 固体
示例
雾 烟 泡沫 牛乳 胶态石墨 矿石中的液态夹杂物 矿石中的气态夹杂物
（4）根据分散相对分散介质的亲、疏倾向，将溶胶分 成两类。
1)分散相具有亲近分散介质倾向的：称作亲液 （lyophilic）溶胶或乳胶，所谓水乳交融；
溶胶(sol)是 （1）溶胶不是物质而是一种“状态”。
溶胶中的固体粒子大小常在1~5nm，也就是在胶体 粒中的最小尺寸，因此比表面积十分大。
（2）最简单的溶胶与溶液在某些方面有相似之处： 溶质+溶剂→溶液
分散相+分散介质→溶胶(分散系)
(3)溶胶态的分散系由分散相和分散介质组成 1)分散介质:气体，即为气溶胶； 水，即水溶胶； 乙醇等有机液体； 也可以是固体。 2)分散相:可以是气体、液体或固体，
《ZT溶胶凝胶实验》课件
实验材料与设备
实验材料
溶胶凝胶：主要成分为硅酸盐、氧化铝等
实验设备
溶胶凝胶设备： 包括搅拌器、 加热器、冷却
器等
实验容器：包 括烧杯、试管、
量筒等
实验试剂：包 括溶胶、催化 剂、稳定剂等
实验仪器：包 括温度计、压 力表、流量计
等
实验试剂
溶胶凝胶：主要成分为硅酸盐、氧 化铝等
溶剂：如乙醇、丙酮等
光电器件：溶胶凝胶实验在光电器件领域的应用逐渐成熟，未来有望在 太阳能电池、LED等领域取得重要进展。
溶胶凝胶实验的未来应用前景
生物医学领域：用于药物输送、组织 工程、生物传感器等
环境科学领域：用于污染物去除、水 质净化、空气净化等
能源领域：用于太阳能电池、燃料电 池、超级电容器等
电子信息领域：用于半导体器件、光 电器件、传感器等
ZT溶胶凝胶实验PPT课件
汇报人：PPT
单击输入目录标题 溶胶凝胶实验简介 实验材料与设备 溶胶凝胶实验步骤 溶胶凝胶实验结果分析
溶胶凝胶实验注意事项与安全防范措施
添加章节标题
溶胶凝胶实验简介
溶胶凝胶实验的概念
溶胶凝胶实验是一种化学实验方法，通过将溶液中的胶体颗粒聚集成凝胶，形成稳定的结构。 溶胶凝胶实验通常用于制备纳米材料、生物材料、陶瓷材料等。 溶胶凝胶实验可以分为溶液制备、胶体形成、凝胶化、干燥和烧结等步骤。 溶胶凝胶实验的优点包括操作简单、成本低、可重复性好等。
溶胶凝胶实验的原理
溶胶凝胶法是一种制备纳米材料的方法，通过将金属离子或金属氧化物溶于溶剂中，形成 溶胶，然后加入凝胶剂，使溶胶凝胶化，形成纳米材料。
溶胶凝胶法的优点是操作简单，成本低，可以制备出多种纳米材料，如纳米颗粒、纳米棒、 纳米管等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第二章 溶胶－凝胶法
溶胶-凝胶法基本概念 溶胶稳定理论 溶胶－凝胶合成原理 溶胶－凝胶合成工艺 溶胶－凝胶合成法的应用
1
第一节 溶胶－凝胶法基本概念
一、溶胶-凝胶法基本名词术语
1. 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。
22
水-金属无机盐体系的缩聚反应
胶粒脱水； 脱水凝胶化： 扩散层中电解质浓度增加；
凝胶化能垒逐渐减小。
碱性凝胶化：
调节pH值； 减少胶粒表面正电荷； 能垒高度降低；
x ( H 2 O M ) n z y a O M x A O u ( O H ) y 2 u ( H 2 O ) H n A a ( x y a ) z ( x u 凝胶（Gel）： 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
按分散相介质不同可分为水凝 胶、醇凝胶和气凝胶
6
4.凝胶时间(gel point time)：在完成凝胶的大分 子聚合过程中最后键合的时间。
R 'O S H (O i)4 R S (O i)3 (O R ') R ROH
24
酸催化（亲电取代）：水解速率逐渐降低
(O 3S R i() O H R (O )3S H R (iO ) R (O )3S R i)ROH (O 3S R i)RO H 2O H (O 3S R i() O RH O H ) H
碱催化（亲核取代） ：水解速率逐渐加快
(O 3S R i) ( O OR H ( )O 3S R i) O O H -R O-R H 2 O RO O H H
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
2
2. 溶胶(sol) 具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了 1~100nm粒子(基本单元)。
溶胶的特点： （1）溶胶不是物质而是一种“状态”
3
（2）溶胶与溶液的相似之处 溶质+溶剂→溶液 分散相+分散介质→溶胶(分散系)
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
溶胶的 制备
先沉淀后解凝 控制沉淀过程
直接获得溶胶
溶胶-凝胶 转化
迫使胶粒间相互
靠近
控制电解质浓度
凝胶 干燥
加热蒸
发
焙烧等 17
二、溶胶-凝胶法基本反应 2.1 溶剂化
M ( H 2 O ) n z M ( H 2 O ) n 1 ( O ) ( Z 1 ) H H
5.前驱物(precursor)：所用的起始原料。
6.金属醇盐(metal alkoxide)：有机醇-OH上的H为 金属所取代的有机化合物。
9
二、溶胶与凝胶的联系 1)溶胶－凝胶转变； 2)凝胶具有触变性； （凝胶能转化为溶胶） 3)凝胶和溶胶可共存，组成复杂的胶态体系。
10
三、溶胶稳定理论 3.1 溶胶体系的相互作用力
其中：A－为胶溶过程中所加入的酸根离子。
23
3.2 醇-金属醇盐体系溶胶-凝胶反应 醇-金属醇盐体系的水解反应
M n (H x O 2 O M Rx ) O (n - O x R R x HO )
(R )3 S O O i H R 1 O 8 H ( R )3 S O 1 O i8 R HO
范德华力 库伦力 空间阻力
溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能和引 力势能的相对大小
11
3.2 DLVO理论（静电稳定理论、双电层排斥理论）
双电层
表面电荷层
溶液中反 号离子层
紧密层 扩散层
由反号离子电性中心构成的平面称为Stern平面
12
由于离子的溶剂化作用，胶粒在移动时，紧密层会结合一定 数量的溶剂分子一起移动，所以滑移的切动面由比Stern层略 右的曲线表示。
分散介质
气体 气体 液体 液体 液体 固体 固体
示例
雾 烟 泡沫 牛乳 胶态石墨 矿石中的液态夹杂物 矿石中的气态夹杂物
4
（3）溶胶的稳定性 亲液溶胶
分散相和分散介质之间有很好的亲和能力； 没有明显的相界面； 热力学稳定体系 憎液溶胶 分散相与分散介质之间亲和力较弱； 有明显的相界面； 热力学不稳定体系
2.2 水解反应（溶胶） M (O)n R xH 2O M (O)H x(O)n R xxRO M (O)n R xH 2O M (O)H nnROH
2.3 缩聚反应（凝胶） 失水反应： M O O H M H M O M H 2 O 失醇反应： M O H R M O M O M R 18
15
3.3 提高溶胶稳定性的途径：
增加势垒的高度
增加胶粒的电荷量
阻止颗粒相互接近 利用位阻效应
溶剂化效应
颗粒
颗粒
16
第二节 溶胶－凝胶合成原理 一、原理： 将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝 形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥、 焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。
从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为
13
DLVO理论：
微粒间总相互作用能： ΦT= ΦA + ΦR
（1）微粒间的吸引能（ΦA） （2）微粒间的排斥作用能（ ΦR） （3）微粒间总相互作用能（ ΦT）
14
＋
微粒的物理稳定性取决于
ΦT
总势能曲线上势垒的大小
第二极小值
－ 第一极小值
特点： 粒子间存在阻止粒子接触的势垒 存在第一极小值（键合的团聚粒子） 存在第二极小值（可逆絮凝）
水解反应
19
缩聚反应
20
三、溶胶-凝胶主要反应 金属无机盐在水中水解成胶粒
含胶粒的溶胶经凝胶化后形成凝胶
金属醇盐在溶剂中水解
缩合形成凝胶
21
3.1 水－金属无机盐溶胶-凝胶反应 水解反应
浓缩法：控制反应直接 制备溶胶
分散法：金属无机盐在 室温下于过量 水中水解，形 成溶胶
M n n2 O H M ( O ) n H n H
溶胶-凝胶法基本概念 溶胶稳定理论 溶胶－凝胶合成原理 溶胶－凝胶合成工艺 溶胶－凝胶合成法的应用
1
第一节 溶胶－凝胶法基本概念
一、溶胶-凝胶法基本名词术语
1. 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。
22
水-金属无机盐体系的缩聚反应
胶粒脱水； 脱水凝胶化： 扩散层中电解质浓度增加；
凝胶化能垒逐渐减小。
碱性凝胶化：
调节pH值； 减少胶粒表面正电荷； 能垒高度降低；
x ( H 2 O M ) n z y a O M x A O u ( O H ) y 2 u ( H 2 O ) H n A a ( x y a ) z ( x u 凝胶（Gel）： 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
按分散相介质不同可分为水凝 胶、醇凝胶和气凝胶
6
4.凝胶时间(gel point time)：在完成凝胶的大分 子聚合过程中最后键合的时间。
R 'O S H (O i)4 R S (O i)3 (O R ') R ROH
24
酸催化（亲电取代）：水解速率逐渐降低
(O 3S R i() O H R (O )3S H R (iO ) R (O )3S R i)ROH (O 3S R i)RO H 2O H (O 3S R i() O RH O H ) H
碱催化（亲核取代） ：水解速率逐渐加快
(O 3S R i) ( O OR H ( )O 3S R i) O O H -R O-R H 2 O RO O H H
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
2
2. 溶胶(sol) 具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了 1~100nm粒子(基本单元)。
溶胶的特点： （1）溶胶不是物质而是一种“状态”
3
（2）溶胶与溶液的相似之处 溶质+溶剂→溶液 分散相+分散介质→溶胶(分散系)
分散相
液体 固体 气体 液体 固体 液体 气体
溶胶的 制备
先沉淀后解凝 控制沉淀过程
直接获得溶胶
溶胶-凝胶 转化
迫使胶粒间相互
靠近
控制电解质浓度
凝胶 干燥
加热蒸
发
焙烧等 17
二、溶胶-凝胶法基本反应 2.1 溶剂化
M ( H 2 O ) n z M ( H 2 O ) n 1 ( O ) ( Z 1 ) H H
5.前驱物(precursor)：所用的起始原料。
6.金属醇盐(metal alkoxide)：有机醇-OH上的H为 金属所取代的有机化合物。
9
二、溶胶与凝胶的联系 1)溶胶－凝胶转变； 2)凝胶具有触变性； （凝胶能转化为溶胶） 3)凝胶和溶胶可共存，组成复杂的胶态体系。
10
三、溶胶稳定理论 3.1 溶胶体系的相互作用力
其中：A－为胶溶过程中所加入的酸根离子。
23
3.2 醇-金属醇盐体系溶胶-凝胶反应 醇-金属醇盐体系的水解反应
M n (H x O 2 O M Rx ) O (n - O x R R x HO )
(R )3 S O O i H R 1 O 8 H ( R )3 S O 1 O i8 R HO
范德华力 库伦力 空间阻力
溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能和引 力势能的相对大小
11
3.2 DLVO理论（静电稳定理论、双电层排斥理论）
双电层
表面电荷层
溶液中反 号离子层
紧密层 扩散层
由反号离子电性中心构成的平面称为Stern平面
12
由于离子的溶剂化作用，胶粒在移动时，紧密层会结合一定 数量的溶剂分子一起移动，所以滑移的切动面由比Stern层略 右的曲线表示。
分散介质
气体 气体 液体 液体 液体 固体 固体
示例
雾 烟 泡沫 牛乳 胶态石墨 矿石中的液态夹杂物 矿石中的气态夹杂物
4
（3）溶胶的稳定性 亲液溶胶
分散相和分散介质之间有很好的亲和能力； 没有明显的相界面； 热力学稳定体系 憎液溶胶 分散相与分散介质之间亲和力较弱； 有明显的相界面； 热力学不稳定体系
2.2 水解反应（溶胶） M (O)n R xH 2O M (O)H x(O)n R xxRO M (O)n R xH 2O M (O)H nnROH
2.3 缩聚反应（凝胶） 失水反应： M O O H M H M O M H 2 O 失醇反应： M O H R M O M O M R 18
15
3.3 提高溶胶稳定性的途径：
增加势垒的高度
增加胶粒的电荷量
阻止颗粒相互接近 利用位阻效应
溶剂化效应
颗粒
颗粒
16
第二节 溶胶－凝胶合成原理 一、原理： 将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝 形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥、 焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。
从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为
13
DLVO理论：
微粒间总相互作用能： ΦT= ΦA + ΦR
（1）微粒间的吸引能（ΦA） （2）微粒间的排斥作用能（ ΦR） （3）微粒间总相互作用能（ ΦT）
14
＋
微粒的物理稳定性取决于
ΦT
总势能曲线上势垒的大小
第二极小值
－ 第一极小值
特点： 粒子间存在阻止粒子接触的势垒 存在第一极小值（键合的团聚粒子） 存在第二极小值（可逆絮凝）
水解反应
19
缩聚反应
20
三、溶胶-凝胶主要反应 金属无机盐在水中水解成胶粒
含胶粒的溶胶经凝胶化后形成凝胶
金属醇盐在溶剂中水解
缩合形成凝胶
21
3.1 水－金属无机盐溶胶-凝胶反应 水解反应
浓缩法：控制反应直接 制备溶胶
分散法：金属无机盐在 室温下于过量 水中水解，形 成溶胶
M n n2 O H M ( O ) n H n H