溶胶凝胶合成技术解剖
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材料合成与制备第一章溶胶——凝胶法ppt课件
调节PH值或 加入电解质中和 微粒表面电荷
缩聚反应
凝胶
减压蒸发
不 同 溶 胶 — 凝 胶 过 程 中 凝 胶 的 形 成
1.过溶程胶温度—较凝低 胶合成工艺的优点
2.增进了多元组份体系的化学均匀性 3.过程易控制，可以实现过程的完全而精确控制，
可以调控凝胶的微观结构。
4.掺杂范围广泛，化学计量准确。 5.薄膜制备方法，Sol-Gel工艺更显出了独特的优越
法 的
4.复 合 材 料 的 制 备
适 用
5.超 细 粉 体 材 料 的 制 备
范 围
6.薄 膜 和 涂 层 材 料 的 制 备
1.3溶胶—凝胶合成工艺
传统胶体型
三种工艺机制 无机聚合物型 络合物型
1.3凝胶—溶胶合成工艺
(1)传统胶体型。通过控制溶液中金属离子的沉 淀过程，使形成的颗粒不团聚成大颗粒而沉淀 得到稳定均匀的溶胶，再经过蒸发得到凝胶。
比表面积：单位体积分散相的总表面积
s
s v
双电层与ζ电位
• 固液之间发生的相对移动的实际分界面， 即滑动面，滑动面上的电位即ζ电位。
• 双电层的结构示意图
颗粒间的范德华力
Hamaker假设粒子间的相互作用等于组成它们 的各分子之间的相互作用的加合，对于俩个彼 此平行的平板粒子，单位面积的相互作用能为
溶胶——凝胶合成方法原理
1.胶体（Golloid）一种分散相粒径介于 1 0 9 ~
1 0 7 m的分散体系，分散相粒子的质量可以忽略
不计，粒子之间的相互作用主要是短程作用力。
电学性质：电泳（在外电场的作用下，胶体分散 体系中的溶胶粒子向阴极定向迁移的现象。）
原因：胶体粒子带电
溶胶-凝胶原理及技术
玻璃陶瓷制备
玻璃陶瓷是一种无机非金属材料，通过溶胶-凝胶技术可以制备出具有优异性能的玻 璃陶瓷。
在制备过程中，溶胶-凝胶技术可以控制玻璃陶瓷的微观结构和相组成，从而获得具 有高强度、高硬度和优良热稳定性的玻璃陶瓷。
此外，通过溶胶-凝胶技术还可以制备出具有特定光学、电学和磁学性能的玻璃陶瓷， 广泛应用于光学仪器、电子器件和磁性材料等领域。
纳米材料和复合材料。
21世纪
溶胶-凝胶技术不断优化和发 展，在材料科学、化学、生物
学等领域得到广泛应用。
02 溶胶-凝胶原理
溶胶的制备
01
02
03
金属醇盐的水解
将金属醇盐与水进行反应， 生成相应的溶胶。
非金属醇盐的水解
非金属醇盐也可以通过水 解反应生成溶胶。
氧化还原反应
通过氧化还原反应制备溶 胶。
凝胶具有孔洞结构、高比表面积、良好的吸附性 能等性质。
应用领域
溶胶-凝胶技术广泛应用于材料科学、化学、生物 学等领域。
03 溶胶-凝胶技术制备材料
无机材料
陶瓷材料
通过溶胶-凝胶技术可以制备出高 纯度、高致密度的陶瓷材料，如
氧化物、氮化物、碳化物等。
玻璃材料
利用溶胶-凝胶技术可以制备出具 有特殊性能的玻璃材料，如光子玻 璃、微晶玻璃等。
催化剂载体制备
催化剂是一种能够加速化学反应的物质，而催化剂载体则是承载催化剂 的物质，通过溶胶-凝胶技术可以制备出具有优异性能的催化剂载体。
在制备过程中，溶胶-凝胶技术可以控制催化剂载体的孔结构、比表面积 和热稳定性等性能，从而获得具有高活性、高稳定性和优良再生性的催 化剂载体。
此外，通过溶胶-凝胶技术还可以制备出具有特定光学、电学和磁学性能 的催化剂载体，广泛应用于化工、环保和能源等领域。
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
第一章 溶胶凝胶法 201409.9
Citric acid
Heat treatment Product materials
5.3 结果与讨论
XRD
LVP、LVTP1、LVTP2、LVTP3、LVTP4的XRD图谱及部分截取图谱 均为单一的单斜相，衍射峰稍有变化：随掺杂量的增大，衍射峰强度增大； 分裂的042峰逐渐合并为尖锐的单峰；-521衍射峰发生分裂
前驱体 溶解 水解
缩聚
老化
溶液
溶胶
溶胶
凝胶
溶胶－凝胶法的基本概念
－溶胶与凝胶的结构比较
溶胶
无固定形状
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
凝胶
固定形状
这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面。
溶胶－凝胶合成生产设备
2 2 1 3 4 5 1 3 4
5
6
7
电力搅拌溶胶－凝胶合成反应示意图 1.回流装置 2. 电力式脉动器 3.温度计 4.容器 5. 水热装置
金属氧化物的溶胶凝胶合成中常用的反应 分子前驱物: 几乎所有金属（包括镧系金属）均可形成这类化合物。
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
溶胶的动力性质 --Brown运动
分散介质的分子由于热运动不断地从各个方面同时冲击 胶粒，由于胶粒很小，在某一瞬间，它所受冲击力不会相互 抵消，因而使它在不同时刻以不同速度、不同方向作不规则 的运动，Brown运动是系统中分子固有热运动的体现。
① 胶粒的 Brown 运动使溶胶不致因重力而沉降，即所谓 的动力稳定性。
溶胶的稳定
②由于胶团双电
层结构的存在，胶粒 都带有相同的电荷， 相互排斥，故不易聚 结。这是使溶胶稳定 存在的最重要原因。
溶胶-凝胶合成法ppt课件
m(OR)n-2 M(OH)2 → [(OR) n-2M-O]m + mH2O m(OR)n-3 M(OH)3 → [(OR) n-3M-O]m + mH2O + mH+ 羟基与烷氧基之间也存在缩合反应 : (OR)n-x(HO)x-lM-OH + ROM(OR)n-x-l (OH)x →
(OR)n-x(OH)M-O-M(OR)n-x-l (OH)x(OH)x + R-OH
强成金 酸凝属 在胶盐 较状在 高沉过 的淀量 温，碱 度将作 下过用 分量下 散电于 成解室 溶质温 胶洗迅
去速 ，水 加解 入形15源自16薄膜及 涂层材料
粉体材料
块体材料
溶胶凝胶 复合材料
多孔材料 纤维材料
17
溶胶－凝1胶.块合体成材法料制备的块体材料
是指具有三维结构，且每一维尺度均大 根据所需获得材料的性能需求，将 于前驱1m该体m的方进各法行种制水形备解状块、且体溶无材胶裂料、纹具凝的有胶产纯、物度老。高化、和
10
溶胶稳定机制
•溶胶颗粒表面电荷来自胶粒晶格离子的选择性电离，或选择性吸 附溶剂中的离子。 •对金属氧化物水溶胶，一般优先吸附H＋或OH－。当pH>PZC时， 胶粒表面带负电荷；反之，则带正电荷。 •根据DLVO理论，胶粒受到双电层斥力和长程范德华引力二种作用， 此外，胶粒间相互作用还有分子间的范德华力和由表层价电子重 叠引起的短程波恩斥力。
B(OCH3)3
Ca
Ge(OC2H5)4 Zr(O-iC3H7)4 Y(OC2H5)3
(OC2H5)2
13
2.溶胶－凝胶合成方法基本原理 2、无机盐的水解-缩聚反应 胶粒脱水，扩 x水M解反(H应：2OMn)+n＋z+nH+2Oy→OMH(散OH- )层+n ＋a中nAH+电- →解质 M凝胶xO化 u(O脱H)水y-2u(H2O浓)n度Aa增(xz加-y-a，)+ 凝+
(OR)n-x(OH)M-O-M(OR)n-x-l (OH)x(OH)x + R-OH
强成金 酸凝属 在胶盐 较状在 高沉过 的淀量 温，碱 度将作 下过用 分量下 散电于 成解室 溶质温 胶洗迅
去速 ，水 加解 入形15源自16薄膜及 涂层材料
粉体材料
块体材料
溶胶凝胶 复合材料
多孔材料 纤维材料
17
溶胶－凝1胶.块合体成材法料制备的块体材料
是指具有三维结构，且每一维尺度均大 根据所需获得材料的性能需求，将 于前驱1m该体m的方进各法行种制水形备解状块、且体溶无材胶裂料、纹具凝的有胶产纯、物度老。高化、和
10
溶胶稳定机制
•溶胶颗粒表面电荷来自胶粒晶格离子的选择性电离，或选择性吸 附溶剂中的离子。 •对金属氧化物水溶胶，一般优先吸附H＋或OH－。当pH>PZC时， 胶粒表面带负电荷；反之，则带正电荷。 •根据DLVO理论，胶粒受到双电层斥力和长程范德华引力二种作用， 此外，胶粒间相互作用还有分子间的范德华力和由表层价电子重 叠引起的短程波恩斥力。
B(OCH3)3
Ca
Ge(OC2H5)4 Zr(O-iC3H7)4 Y(OC2H5)3
(OC2H5)2
13
2.溶胶－凝胶合成方法基本原理 2、无机盐的水解-缩聚反应 胶粒脱水，扩 x水M解反(H应：2OMn)+n＋z+nH+2Oy→OMH(散OH- )层+n ＋a中nAH+电- →解质 M凝胶xO化 u(O脱H)水y-2u(H2O浓)n度Aa增(xz加-y-a，)+ 凝+
第五章 溶胶-凝胶合成法
过渡金属有机化合物
对于主族元素很少使用nd 轨道成键，过渡金属除了用 ns和np轨道外，还要使用(n-1)d轨道成键。这些轨 道部分被电子占有，使得过渡金属具有给电子和受 电子的性质，使金属配体的键级变化很大。
18电子规则和-给电子/-电子的协同作用（成键和反 馈键）概念是最基本的
18电子规则指当金属d电子数加上配体供给的电子总 数等于18时，所形成的过渡金属有机物稳定。
目前人们最为关注的是超细（纳米）陶瓷粉体，不 论是结构陶瓷还是功能陶瓷，其千变万化的应用 领域的开拓和产业化、市场化都在期待着超细 （纳米）粉体制备技术的突破。
从提供高质量有望达到低成本的指标而言，最可取 的是湿化学法和特殊的气相法，这些方法又称之 为软化学法，可概括为：气相法：包括气相合成 法、气相热分解法；液相法：包括共沉淀法、均 匀沉淀法、溶剂去除法、醇盐水解法、溶胶—凝 胶法等。
第八页，编辑于星期一：十八点 十三分。
氧基聚合：在聚合过程中金属的配位层中 没有水配体，反应时先按亲核加成形成 四聚体，形成边桥氧或面桥氧，再按加 成消除机理聚合反应。
例Cr(Ⅵ)的二聚反应 [HCrO4]-+ [HCrO4]- [Cr2O7]2-+H2O
第九页，编辑于星期一：十八点 十三分。
金属有机分子的水解-聚合反应
在固化过程中，膜层的孔尺寸与孔结构与因团聚 作用得到的各分子团簇结构有关，即与溶胶阶段 所用的分子前驱物水解和缩合条件有关。
第三十三页，编辑于星期一：十八点 十三分。
高低支链团簇与孔结构
第三十四页，编辑于星期一：十八点 十三分。
模板剂的应用
第三十五页，编辑于星期一：十八点 十三分。
浸渍提拉法
相分离/离析法 阳极氧化法 有机高聚物热分解法 化学气相沉积法 物理气相沉积法 无电极电镀法
最新-2-6溶胶-凝胶合成-PPT文档资料
当金属阳离子Mn+溶解在纯水中将发生如下溶剂化反 应：
这种溶剂化作用可导致部分共价键的形成。 且水分子变得更为酸性。按电荷迁移大小， 溶剂化分子发生如下变化：
在通常的水溶液中，金属离子可能有三种配 体，水分子(H2O)，羟基(OH)和氧基(＝O)。
水、羟基配位的无机母体在制 备凝胶时受pH梯度、浓度、 加料方式、成胶速度、温度等 因素的影响。因为成核和生长 主要是羟桥聚合反应，而且是 扩散控制过程，所以需要对所 有因素加以考虑。
有些金属可形成稳定的羟桥，进而生成一 种很好并具有确定结构的M(OH)n，而有些 金属不能形成稳定的羟桥，因而当加入碱 时只能生成水合的无定形凝胶沉淀 MOx/2(OH)n-x·yH2O。这类无确定结构的沉 淀在连续失水时，通过氧聚合最后形成 M2On。
对多价态元素如Mn、Fe和Co等，情况更复杂一 些，因为电子转移可发生在溶液、固相中，甚至 在氧化物和水的界面上。
2.6.2 溶胶-凝胶的工艺技术
溶胶凝胶 的类 型
就产生过程而言
传统胶体型 无机聚合物型 配合物型
溶胶-凝胶的基本工艺过程是： 反应物由分子态→聚合体→溶胶→ 凝胶→晶态(或非晶态)。
一、反应的前驱体和溶剂
金属无机盐
前 驱 体
金属有机盐
硝酸盐
氯化物
氯氧化物(MOCln-2)等
醋酸盐 金属醇盐
单金属醇盐(如 La(OC3H7)3等) 双金属醇盐(如
[V2O6(OH)]3- + H2O [V3O9]3- + 2H2O
二、金属有机分子的水解—聚合反应
金属烷氧基化合物(M(OR)n，Alkoxide)是常用的 反应物前驱体。其与水充分反应可形成氢氧化物或 水合氧化物：
这种溶剂化作用可导致部分共价键的形成。 且水分子变得更为酸性。按电荷迁移大小， 溶剂化分子发生如下变化：
在通常的水溶液中，金属离子可能有三种配 体，水分子(H2O)，羟基(OH)和氧基(＝O)。
水、羟基配位的无机母体在制 备凝胶时受pH梯度、浓度、 加料方式、成胶速度、温度等 因素的影响。因为成核和生长 主要是羟桥聚合反应，而且是 扩散控制过程，所以需要对所 有因素加以考虑。
有些金属可形成稳定的羟桥，进而生成一 种很好并具有确定结构的M(OH)n，而有些 金属不能形成稳定的羟桥，因而当加入碱 时只能生成水合的无定形凝胶沉淀 MOx/2(OH)n-x·yH2O。这类无确定结构的沉 淀在连续失水时，通过氧聚合最后形成 M2On。
对多价态元素如Mn、Fe和Co等，情况更复杂一 些，因为电子转移可发生在溶液、固相中，甚至 在氧化物和水的界面上。
2.6.2 溶胶-凝胶的工艺技术
溶胶凝胶 的类 型
就产生过程而言
传统胶体型 无机聚合物型 配合物型
溶胶-凝胶的基本工艺过程是： 反应物由分子态→聚合体→溶胶→ 凝胶→晶态(或非晶态)。
一、反应的前驱体和溶剂
金属无机盐
前 驱 体
金属有机盐
硝酸盐
氯化物
氯氧化物(MOCln-2)等
醋酸盐 金属醇盐
单金属醇盐(如 La(OC3H7)3等) 双金属醇盐(如
[V2O6(OH)]3- + H2O [V3O9]3- + 2H2O
二、金属有机分子的水解—聚合反应
金属烷氧基化合物(M(OR)n，Alkoxide)是常用的 反应物前驱体。其与水充分反应可形成氢氧化物或 水合氧化物：
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
第五章溶胶凝胶法 ppt课件
所制备的材料化学纯度高、均匀性好，可用于制 备超细粉末、中空球、玻璃、涂料、纤维、薄膜、
表面涂层等多种类型的材料 。
ppt课件
4
同传统的固相反应合成及固相烧结法比较，该方 法具有下列几个显著的优点及独特的技术特点：
①高度化学均匀性。通过各种反应物溶液的混 合，很容易获得需要的均相多组分体系 (~0.5nm尺寸内达到化学均匀）同传统使用的 5～ 50 μm粉末的混合物的均匀度比较，提高 104～105倍。
②较低合成及烧结温度：Sol-gel粉末合成以及 烧结温度比传统粉末一般低50～500℃。 同时也正因为材料制备所需温度大幅度降 低，从而能在较温和的条件下合成出陶瓷、玻 璃、纳米复合材料等功能材料。
ppt课件
5
③高化学纯度：由于Sol-gel一般采用可溶性金属 化合物作为溶胶的前驱体，可通过蒸发及再结晶 等方法纯化原料，而且溶胶一凝胶过程能在低温 下可控制地进行，可避免在高温下对反应容器的 污染等问题，因此，能保证产品纯度。
优点：工艺过程简单，无需控制反应的pH值，可使合成温
度大大降低；由于NHSG是由溶液反应开始的，实现原子级
均匀，从而所制备的材料非常均匀，这对于控制材料的物理
性能及化学性能至关重要。ppt课件
31
C2H5OCH2CH2OH Pb(CH3COO)2·3H2O
Ti(OC4H9)4 Zr(OC4H9)4
按照溶胶的形成原理和过程则可归纳为胶 体法、水解一聚合反应法和配合物法三种。
胶体法
传统的胶体法（亦称粒子溶胶一凝胶法） 直接以超细固体颗粒为原料，通过调节pH 值或加入电解质来中和固体颗粒表面电荷， 形成溶胶，再通过溶剂蒸发使系统形成凝 胶。
ppt课件
液相合成法-溶胶凝胶法课件(精品)
▪ 用硝酸铵处理是为了去除凝胶 中的水和碱金属离子。
▪ 人们已用这种方法制备出重达 几公斤，性能接近CVD方法合 成的光纤预制棒材料。
配合物法
▪ 配合物法通常用金属醇盐、硝酸盐或乙酸盐为原
料，由配合反应形成具有较大或复杂配体的配合 物，再由氢键建立凝胶网络，形成凝胶。 ▪ 起初是采用柠檬酸作为配合剂，但它只适合部分 金属离子，且其凝胶易潮解。现在采用单元羧酸 和胺作为配合剂，可形成相当稳定而又透明的凝 胶。这种方法目前仍只是很少地被用于制作一些 薄膜和纤维材料。
▪ 胶体工艺的前体是金属盐，利用盐溶液的水解，通过化学 反应产生胶体沉淀，利用胶溶作用使沉淀转化为溶胶，并 通过控制溶液的温度、pH值可以控制胶粒的大小。通过 使溶胶中的电解质脱水或改变溶胶的浓度，溶胶凝结转变 成三维网络状凝胶。
▪ 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。
当无法合成双金属醇盐时：
▪ 尽管上面列举了许多金属醇盐的合成方法， 但是实际工作中可能难以合成或无法合成特 定双金属醇盐或多金属醇盐，所以经常要使 用金属醇盐和普通金属盐同时作为金属离子 的来源。
▪ 然而金属盐与金属醇盐的水解速度一般相差 很大，金属醇盐要快得多，从而会造成产物 中金属离子分布的不均匀——成分偏析现象。
▪ 制取薄膜的方法有浸渍法、甩胶法和喷涂法等，而以浸渍 法应用最普遍。此法的优点是基片两面涂膜一次完成，调 节溶胶的粘度和提拉速度，单次涂膜操作可得膜厚50～ 500um，如欲得到更厚的膜层，可采用多次浸渍法。
三、溶胶一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）。
▪ 人们已用这种方法制备出重达 几公斤，性能接近CVD方法合 成的光纤预制棒材料。
配合物法
▪ 配合物法通常用金属醇盐、硝酸盐或乙酸盐为原
料，由配合反应形成具有较大或复杂配体的配合 物，再由氢键建立凝胶网络，形成凝胶。 ▪ 起初是采用柠檬酸作为配合剂，但它只适合部分 金属离子，且其凝胶易潮解。现在采用单元羧酸 和胺作为配合剂，可形成相当稳定而又透明的凝 胶。这种方法目前仍只是很少地被用于制作一些 薄膜和纤维材料。
▪ 胶体工艺的前体是金属盐，利用盐溶液的水解，通过化学 反应产生胶体沉淀，利用胶溶作用使沉淀转化为溶胶，并 通过控制溶液的温度、pH值可以控制胶粒的大小。通过 使溶胶中的电解质脱水或改变溶胶的浓度，溶胶凝结转变 成三维网络状凝胶。
▪ 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。
当无法合成双金属醇盐时：
▪ 尽管上面列举了许多金属醇盐的合成方法， 但是实际工作中可能难以合成或无法合成特 定双金属醇盐或多金属醇盐，所以经常要使 用金属醇盐和普通金属盐同时作为金属离子 的来源。
▪ 然而金属盐与金属醇盐的水解速度一般相差 很大，金属醇盐要快得多，从而会造成产物 中金属离子分布的不均匀——成分偏析现象。
▪ 制取薄膜的方法有浸渍法、甩胶法和喷涂法等，而以浸渍 法应用最普遍。此法的优点是基片两面涂膜一次完成，调 节溶胶的粘度和提拉速度，单次涂膜操作可得膜厚50～ 500um，如欲得到更厚的膜层，可采用多次浸渍法。
三、溶胶一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）。