溶胶凝胶法PPT课件
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溶胶－凝胶法及其应用
Sol-gel-SCFD
目录
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。
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－凝胶法的基本概念
－溶胶与凝胶的结构比较
溶胶 凝胶
无固定形状 固定形状
固相粒子自由运动
固相粒子按一定网 架结构固定不能自 由移动
这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面。
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。
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
溶胶－凝胶法的应用（2）
－功能材料中制备粉体材料
La2O3 La(NO3)3溶液
HNO3 La: Fe=1:1
Fe(NO3)3.6H2O Fe(NO3)3溶液 柠檬酸
La3+、Fe3+的柠檬酸溶液
50～80℃
含La3+、Fe3+的溶胶
60～90℃
含La3+、Fe3+的凝胶
120℃
干凝胶
热处理
LaFeO3的超细粉末 10～100nm
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
（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
前驱体
纳米颗粒 纤维
溶胶
湿凝胶
气凝胶
多孔材料
涂层、薄膜
干凝胶
பைடு நூலகம்
致密块体
溶胶－凝胶法应用（1）
—铝胶制备及化学机理
溶胶－凝胶法的应用
－功能材料中制备纤维
Si(OCH3)4 C2H5OH
H2O,HCl
C2H5OH NdCl3.6H2O
搅拌（室温）
混合溶液
放置、脱水（室温～8 0％）
粘性溶胶
拉纤维（室温）
凝胶纤维
加热（10℃/h） 500℃ 1h，冷却至室温
铷玻璃纤维
溶胶－凝胶法的应用
－功能材料中制备膜材料
Nd(NO3)3.6H2O H2O,HCl C2H5OH
[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
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
C2H5OH Si(OCH3)4
混合溶液
保持2～4h，室温
粘性溶胶
包覆
包覆膜
加热1h
Nd.SiO2膜
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
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。
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。
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（PrecipitationPeptization）
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。
Sol-gel-SCFD
目录
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。
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－凝胶法的基本概念
－溶胶与凝胶的结构比较
溶胶 凝胶
无固定形状 固定形状
固相粒子自由运动
固相粒子按一定网 架结构固定不能自 由移动
这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面。
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。
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
溶胶－凝胶法的应用（2）
－功能材料中制备粉体材料
La2O3 La(NO3)3溶液
HNO3 La: Fe=1:1
Fe(NO3)3.6H2O Fe(NO3)3溶液 柠檬酸
La3+、Fe3+的柠檬酸溶液
50～80℃
含La3+、Fe3+的溶胶
60～90℃
含La3+、Fe3+的凝胶
120℃
干凝胶
热处理
LaFeO3的超细粉末 10～100nm
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
（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
前驱体
纳米颗粒 纤维
溶胶
湿凝胶
气凝胶
多孔材料
涂层、薄膜
干凝胶
பைடு நூலகம்
致密块体
溶胶－凝胶法应用（1）
—铝胶制备及化学机理
溶胶－凝胶法的应用
－功能材料中制备纤维
Si(OCH3)4 C2H5OH
H2O,HCl
C2H5OH NdCl3.6H2O
搅拌（室温）
混合溶液
放置、脱水（室温～8 0％）
粘性溶胶
拉纤维（室温）
凝胶纤维
加热（10℃/h） 500℃ 1h，冷却至室温
铷玻璃纤维
溶胶－凝胶法的应用
－功能材料中制备膜材料
Nd(NO3)3.6H2O H2O,HCl C2H5OH
[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
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
C2H5OH Si(OCH3)4
混合溶液
保持2～4h，室温
粘性溶胶
包覆
包覆膜
加热1h
Nd.SiO2膜
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
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。
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。
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（PrecipitationPeptization）
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。