二氧化硅的制备

纳米二氧化硅颗粒的制备与表征

一、实验目的

颗粒。

1、学习溶胶—凝胶法制备纳米SiO

2

2、利用粒度分析仪对SiO

颗粒物相分析和粒径测定。

2

颗粒进行表征。

3、通过红外光谱仪对纳米SiO

2

4、通过热重分析仪测试煅烧温度。

二、实验原理

具有三维网状结构，拥有庞大的比表面积，表面上存在着大量的羟基基团, 亲水纳米SiO

2

性强, 众多的颗粒相互联结成链状，链状结构彼此又以氢键相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构。

图1 纳米二氧化硅三维网状结构

图2 纳米二氧化硅表面上存在着大量的羟基基团

溶胶凝胶法（Sol-Gel法）：利用活性较高的前驱体作为原料，在含水的溶液中水解，生成溶

胶，然后溶胶颗粒间进一步发生相互作用，与溶剂共同生成凝胶，干燥后、煅烧获得前驱体相应的氧化物。

第一步水解：

硅烷的水解过程ROH

−→

−

-

-2

-

-

+

Si

Si+

O

OH

H

OR

第二步缩合：

硅烷的缩聚过程O

−→

−

-

-

-

-

-

-

+

-

H

Si

O

Si

Si

HO

+

Si2

OH

-

总反应：ROH

−→

-

Si

−

+

-

-

-

-

Si

O

22+

O

H

Si2

OR

硅烷的浓度，硅烷溶液的pH 值，溶剂成分，水解时间与温度均会影响到硅烷的水解缩聚过程。

其中，pH 值能影响硅烷溶液的水解缩聚反应速率。一般认为酸性和碱性条件下均有利于硅烷的水解反应，而碱性条件下更能促进缩聚反应的进行。因此，选择合理的pH 值能控制硅烷的水解与缩合反应速率。

水含量除了影响硅烷的水解与缩聚反应速率外，还影响其溶解性；而醇溶剂对硅烷分子起到助溶与分散的作用，还起到调节水解速率的作用。

三、仪器及试剂

仪器常规玻璃仪器，不同型号移液枪，坩埚，研钵，水浴锅，磁子，磁力搅拌器，烘箱，马弗炉，傅里叶红外光谱仪，差热-热重分析仪，粒度分析仪；

试剂乙醇（AR），去离子水，TEOS，1:1 氨水，浓氨水、浓盐酸，精密pH 试纸。

四、实验步骤

颗粒

①Stober 法制备纳米SiO

2

取75mL 无水乙醇于烧杯中，加入25mL 去离子水，搅拌使其均匀。向其中加入10mL TEOS，同时搅拌。用1:1 氨水溶液调节硅烷溶液的pH 值至7，搅拌10min。将上述硅烷溶液放入水浴锅中，水温35℃，陈化1h。向溶液中逐滴加入浓氨水，使其刚好产生果冻状凝胶为止。静置，至溶液全部转化为凝胶。

将所得的凝胶捣碎放入烘箱中，烘箱温度为100℃，烘干，即得SiO

前躯体粉末。将粉末碾

2

粉末。

碎后在300℃煅烧20min 即得SiO

2

② SiO

颗粒的粒径测试

2

先将大烧杯中装满水，对大烧杯进行清洗，倒去水。向大烧杯中装入部分水，测试背景。将小烧杯中预先搅拌好的二氧化硅浊液倒入大烧杯中，进行充分混合均匀，对其进行粒径分析。

颗粒红外光谱测试

③SiO

2

颗粒样品和约80倍质量的KBr加入到研钵中，在红外灯下研磨至粉状。将将微量的纳米SiO

2

粉末小心的加到带孔的小纸片的铁柱上，在20MPa的压力下压片约1分钟，得到透明的薄膜。用铁片和磁铁固定住薄膜纸片后，放入傅里叶红外光谱仪中测其红外光谱图。

④ SiO

颗粒的WCT热分析测试

2

称取未煅烧前的二氧化硅粉末，用WCT热分析系统对其进行测试。设定升温速率为 4.59 ℃/min，测定时间为1小时。

五、实验数据与分析

①二氧化硅颗粒产量

实际产量：2.03 g

理论产量：10 mL×0.933 g·mL-1/208.33 g·mol-1×60.08 g= 2.69 g

实际产率：75.45%

颗粒的粒径分析

② SiO

2

由粒径分布谱图（见附图1）可知，实验制得的二氧化硅主要有两种粒径的颗粒，分别约为

颗粒，粒径均未达到纳米尺度，仅在微米尺度。

10 μm和90 μm的SiO

2

③ SiO

颗粒红外光谱测试

2

从Scifinder上查得的二氧化硅的标准红外光谱图如下。

图 1 SiO

红外标准光谱图

2

从图中可以看出，1095 cm-1强而宽的吸收带为Si-O-Si反对称伸缩振动峰，3450 cm-1处峰是结合水-OH反对称伸缩振动峰，1638 cm-1处附近为水的H-O-H弯曲振动峰，800 cm-1、466 cm-1处的峰属于Si-OH的对称伸缩振动和弯曲振动峰。

从实验制备的二氧化硅粉末（煅烧后）的红外光谱图（见附图2）中可以看出，1106 cm-1强而宽的吸收峰为Si-O-Si反对称伸缩振动峰，3441 cm-1处为结合水-OH反对称伸缩振动峰，1638 cm-1处为水的H-O-H弯曲振动峰，800 cm-1、563 cm-1处的峰为Si-OH的对称伸缩振动和弯曲振动峰。

实验制备测得的红外光谱图与标准的二氧化硅光谱图比较发现，峰位置发生了较小的蓝移，但基本与标准谱图相同。

颗粒的WCT热分析

④ SiO

2

由WCT热分析曲线（附图3）可知，初始温度为T i=16.6℃，初始质量为m0=14.4293 g。完全=2.0146 mg，减少的质量占85.03%，即失去的含水量为85.03%。

失水后的质量为m

1

六、实验结论与讨论

实验成功地通过Stöber法溶胶-凝胶法制备合成了SiO2颗粒，产率为75.45%。通过傅里叶红外光谱分析确定了制备得到的二氧化硅颗粒的组成；通过粒径分析仪确定了煅烧后二氧化硅颗粒的粒径，发现大部分颗粒粒径分布在10~90 μm的粒径范围内，没有达到纳米尺度；通过WCT热分析方法对未煅烧前的SiO2进行分析，得出其含水量占85.03%，完全失水温度为104.7℃，所以若烘箱温度低于104.7℃则无法将水除去。

对于实验未成功制得纳米级的SiO2颗粒的原因，分析可能为：凝胶条件的选择并未达到最佳，或者是煅烧温度不合适。因此，为实现纳米级的二氧化硅颗粒，需进一步探究实验条件。