第4章-溶胶凝胶法及其应用
溶胶凝胶法的原理及应用
溶胶凝胶法的原理及应用溶胶凝胶法（Sol-Gel法）是一种将溶胶逐渐转变为凝胶的化学方法。
溶胶是由在溶剂中分散的颗粒或分子组成的胶体溶液，而凝胶则是一种具有网络结构的固体物质。
溶胶凝胶法的主要原理是通过适当的溶胶制备条件，如pH值、温度、溶液浓度、添加剂等，使溶胶逐渐从液态溶胶转变为固态凝胶。
溶胶凝胶法的基本步骤包括溶胶的制备，溶胶的成胶，成胶后的调控和凝胶的干燥。
首先，根据所需材料的化学性质和用途要求，选择合适的溶剂、溶质和催化剂来制备溶胶。
然后，在适当的条件下，如控制pH值、温度等，使溶胶逐渐形成凝胶结构。
成胶后，可以进行进一步的调控，如调节凝胶的孔隙结构、粒径大小等。
最后，通过合适的干燥方法，将凝胶转变为固体材料。
溶胶凝胶法具有以下几个优点。
首先，它是一种简单、灵活、可控的制备方法，可以制备出具有复杂结构和多孔性的材料。
其次，溶胶凝胶法可以制备出微米甚至纳米级别的材料，具有较高的化学纯度和均匀性。
此外，溶胶凝胶法还可以制备出具有良好机械性能、光学性能和热稳定性的材料。
溶胶凝胶法在许多领域中得到广泛应用。
其中一个主要应用领域是材料科学。
通过溶胶凝胶法可以制备出各种功能材料，如纳米材料、陶瓷材料、生物材料等。
这些材料在电子、光学、化学、医学等领域具有广泛的应用前景。
另一个应用领域是薄膜技术。
溶胶凝胶法可以制备出均匀、致密和具有优良性能的薄膜，常用于光学涂层、防腐涂层、传感器等领域。
此外，溶胶凝胶法还可以制备出具有特殊结构和功能的微纳米结构材料，如光子晶体、纳米线阵列、多孔膜等，这些材料在纳米科技、生物医学和光电子技术等领域有重要应用。
总之，溶胶凝胶法是一种灵活、可控的制备方法，具有制备复杂结构、多孔性和纳米级别材料的能力。
在材料科学、薄膜技术和微纳米结构材料领域有广泛的应用。
随着科学技术的不断进步，溶胶凝胶法将在更多领域中发展出新的应用。
第四章溶胶凝胶的主要反应
结构。
在碱催化条件下，水解反应主要是对－OR的亲核取 代反应，水解速度较酸催化的慢。但醇盐水解活性随分 子中－OR基团减少而增大，所以4个－OR基团很容易完 全转变为－OH基团，即容易生成。进一步缩聚时便生成 了高交联度的三维网络结构。
典型的冷冻干燥器示意图如图4-5所示。
致冷剂 收集器
样品盘 致冷剂或者 加热液
图4-5冷冻干燥器示意图
真空
冷冻干燥技术广泛应用于食品工业，Mahler等在-10~196℃冷冻干燥硅凝胶得到了硅纤维。Klvana等人用冷冻干 燥法制备了NiO-SiO2和SiO2冷冻凝胶。但是制备块状凝胶 还有待于进一步探索。
0.25
水蒸发 速率 0.20
失 水速率/gcm-2min-1
0.15
0.10
Ⅲ
Ⅱ
Ⅰ
0.05
0.00 0
20
40
60
80
100
凝胶中水分 含量/Wt%
图4-2 干燥速率与凝胶含水量关系
4.3.2干燥过程导致凝胶织构破坏的作用力
(1)毛细压力(capillary pressure)：当凝胶蒸发干燥时，固、 液界面将由高能量的固、气界面代替。系统要达到稳定(保 持较低能量)，液体必将由体相向界面扩展。孔内液体蒸发 使得液面弯曲，从而产生附加压力(P)，其大小如式4-10。
水解低ph溶胶颗粒尺寸100200尺寸100200m浓缩h2o酸mxn沉淀70酸溶液分散h2o酸mxn沉淀室温酸溶液水解室温低ph溶胶颗粒尺寸20尺寸20m低ph溶胶颗粒尺寸2040m凝胶悬浮分散凝胶化低ph溶胶颗粒尺寸4080m凝胶分离图41浓缩和分散方法的工艺流程图412醇金属醇盐体系的水解反应金属醇盐mornn为金属m的原子价与水反应可持续进行直至生成mohn如式42所示
溶胶。凝胶法的基本原理及应用
溶胶．凝胶法的基本原理及应用现状溶胶．凝胶法(S01．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。
近年来，溶胶-凝胶技术在玻璃、氧化物涂层和功能陶瓷粉料，尤其是传统方法难以制备的复合氧化物材料、高临界温度(P)氧化物超导材料的合成中均得到成功的应1．基本原理S01．Gel法的基本反应步骤如下：1)溶剂化：金属阳离子M”吸引水分子形成溶剂单元M(H20)：+，为保持其配位数，具有强烈释放H+的趋势。
2)水解反应：非电离式分子前驱物，如金属醇盐M(OR)。
与水反应。
3)缩聚反应：按其所脱去分子种类，可分为两类a)失水缩聚b)失醇缩聚2.应用由于溶胶．凝胶技术在控制产品的成分及均匀性方面具有独特的优越性，近年来已用该技术制成Li’ra02、“NbO，、PbTjO，、Pb(Zj孙)03和BaTjO，，等各种电子陶瓷材料。
特别是制备出形状各异的超导薄膜n0]，高温超导纤维¨¨等。
在光学方面该技术已被用于制备各种光学膜如高反射膜、减反射膜等和光导纤维、折射率梯度材料、有机染料掺杂型非线性光学材料等以及波导光栅、稀土发光材料等。
在热学方面用该技术制备的SiO：一Ti0：玻璃非常均匀，热膨胀系数很小，化学稳定性也很好；已制成的InO，．SnO：(ITO)大面积透明导电薄膜具有很好的热镜性能；制成的si02气凝胶具有超绝热性能等特点。
4研究展望3.目前，对溶胶一凝胶法的研究主要集中在以下几个方面：1)在工艺方面值得进一步探索的问题：较长的制备周期；应力松弛，毛细管力的产生和消除，孔隙尺寸及其分布对凝胶干燥方法的影响；在凝胶干燥过程中加入化学添加剂的考察，非传统干燥方法探索；凝胶烧结理论与动力学以及对最佳工艺(干燥、烧结工艺)的探索。
溶胶凝胶法的应用研究
溶胶凝胶法的应用研究一、本文概述本文旨在深入探讨溶胶凝胶法在各领域的应用研究。
溶胶凝胶法，作为一种重要的材料制备技术，凭借其独特的优势，如制备过程温和、材料均匀性好、易于掺杂改性等，已经在多个领域展现出广阔的应用前景。
本文将系统梳理溶胶凝胶法的基本原理、发展历程，并重点分析其在能源、环境、生物医学等领域的应用现状，以期为读者提供全面而深入的理解，并推动溶胶凝胶法的进一步发展与应用。
在能源领域，溶胶凝胶法被广泛应用于太阳能电池、燃料电池、锂离子电池等新型能源材料的制备。
通过溶胶凝胶法，可以精确控制材料的组成和结构，从而提高能源转换和存储效率。
在环境领域，溶胶凝胶法制备的纳米材料在污水处理、大气污染治理等方面表现出优异的性能，为环境保护提供了有力支持。
在生物医学领域，溶胶凝胶法用于药物载体、生物传感器、组织工程等研究，为疾病诊断和治疗提供了新的思路和方法。
本文还将对溶胶凝胶法在应用研究中面临的挑战和问题进行讨论，如制备过程中的稳定性、材料性能的优化等，并提出相应的解决方案。
通过本文的阐述，我们期望能够为溶胶凝胶法的进一步发展和应用提供有益的参考和启示。
二、溶胶凝胶法在材料科学领域的应用溶胶凝胶法作为一种独特的材料制备方法，在材料科学领域具有广泛的应用。
该方法以其独特的优点，如反应温度低、反应过程易于控制、能制备出高纯度、高均匀性的材料等，在材料科学领域引起了广泛的关注和研究。
在陶瓷材料制备方面，溶胶凝胶法能够提供一种均匀的微观结构，使得陶瓷材料在制备过程中能够形成致密的微观结构，从而提高其力学性能和热学性能。
例如，通过溶胶凝胶法制备的氧化铝陶瓷，具有优异的耐磨性、抗热震性和高温稳定性，因此在航空航天、机械、化工等领域具有广泛的应用前景。
在纳米材料制备方面，溶胶凝胶法可以精确控制材料的尺寸和形貌，制备出纳米级别的材料。
这些纳米材料具有优异的物理和化学性能，如高比表面积、高催化活性等，因此在能源、环境、生物医学等领域具有广泛的应用。
第四讲 溶胶与凝胶技术
水解 缩合 溶胶 溶胶粒子聚焦成键 凝胶 干燥脱溶剂
干凝胶
气凝胶
溶胶/ 溶胶/凝胶法采用的原料
原料一般分为五种:金属化合物, 原料一般分为五种:金属化合物,水,溶剂,催化剂,添加剂 溶剂,催化剂,
原料各类 金属醇盐 金属化合物 金属乙酰丙酮盐 金属有机酸盐 水 溶剂 甲醇,乙醇,丙醇,丁醇( 甲醇,乙醇,丙醇,丁醇(溶胶溶剂的主 要溶剂)乙二醇,环氧乙烷,三乙醇胺, 要溶剂)乙二醇,环氧乙烷,三乙醇胺, 二甲苯等(溶解金属氧化物) 二甲苯等(溶解金属氧化物) 盐酸,p 甲苯磺酸,乙酸,琥珀酸, ,p盐酸,p-甲苯磺酸,乙酸,琥珀酸,马来 酸,硼酸,硫酸,硝酸,醋酸,氨水,氢氧 硼酸,硫酸,硝酸,醋酸,氨水, 化钠,EDTA ,EDTA和柠檬酸等 化钠,EDTA和柠檬酸等 乙酰丙酮 聚乙烯醇(PVA) 聚乙烯醇(PVA) 乙二酸草酸,甲酰胺,二甲基酰胺, 乙二酸草酸,甲酰胺,二甲基酰胺,二 氧杂乙烷 实例 M(OR)n[Si(OC2H5)4,PO(OC2H5)3] Zn(COCH2CH3)2 Zn(CH3coo)2,Ba(Hcoo)2 作用 溶胶/凝胶法最合适的原料, 溶胶/凝胶法最合适的原料,提供金属元素 金属醇盐的替代物 金属醇盐的替代物 水解反应的必须原料 溶解金属氧化物, 溶解金属氧化物,调制均匀溶胶
凝胶化转变的影响因素
Si(OC2H5)4, 即TEOS对凝胶转 对凝胶转 变时间的影响
定义H 摩尔比) 定义 2O/TEOS=r(摩尔比 摩尔比
该体系处于超临界区域
超临界流体: 超临界状态下, 物质以一种既非液体也非气体, 超临界流体 超临界状态下 物质以一种既非液体也非气体 但兼气液性
质的超临界液体状态存在, 密度、热容及导热性与液体相似, 质的超临界液体状态存在 密度、热容及导热性与液体相似 黏度和扩散系数与气体相近
钛阳极制备方法溶胶凝胶法
钛阳极制备方法溶胶凝胶法钛阳极是一种用于电化学和酸碱腐蚀中的重要材料。
通过溶胶凝胶法制备钛阳极的方法被广泛应用于实际生产中，其过程相对简单，成本较低，具有制备出均匀、高效的阳极材料的优势。
本文将详细介绍钛阳极制备方法溶胶凝胶法的原理、步骤和应用。
一、原理溶胶凝胶法是一种在溶剂中将活性物质转化为凝胶状态的方法。
通过溶胶凝胶法制备钛阳极的主要原理包括以下几个方面：1.溶胶制备：将金属钛（Ti）分散在溶剂中形成均匀的溶胶体系，同时加入其他活性物质以提高阳极的性能。
2.凝胶生成：通过调节溶胶体系的溶剂含量和温度等条件，使溶胶逐渐形成凝胶，在此过程中形成了一定形状的阳极。
3.凝胶热处理：将凝胶进行热处理，以去除溶剂和活性物质，形成纯净的金属钛结构，达到提高阳极性能的目的。
二、步骤溶胶凝胶法制备钛阳极的步骤主要包括溶胶制备、凝胶生成和凝胶热处理。
具体步骤如下：1.溶胶制备：（1）将金属钛粉末加入溶剂中（如醇类、水等）。
（2）将其他活性物质（如催化剂、促进剂等）加入溶剂中，使其均匀分散。
（3）进行搅拌和超声处理，使金属钛粉末均匀分散在溶剂中，形成均匀的溶胶体系。
2.凝胶生成：（1）通过调节溶胶的温度和溶剂含量，使溶胶逐渐形成凝胶状态。
（2）调节溶胶的pH值，使溶胶具有适当的酸碱性，以有利于凝胶的生成。
3.凝胶热处理：（1）将凝胶转移到烘箱中，进行热处理，一般温度范围为400℃-600℃。
（2）在热处理过程中，通过去除溶剂和活性物质，形成纯净的金属钛结构。
（3）热处理时间根据溶胶凝胶体系的性质和要求，一般为1-2小时。
三、应用溶胶凝胶法制备的钛阳极具有以下优势：1.结构均匀：通过溶胶凝胶法制备的钛阳极具有均匀的纳米结构，提高了阳极的电化学性能和稳定性。
2.可控性强：溶胶凝胶法制备的工艺过程具有较好的可控性，可以调节条件来控制阳极的结构和性能。
3.成本低：溶胶凝胶法相对于其他制备方法来说，成本较低，易于实施和推广。
溶胶-凝胶法及其应用
沉降电势
分散相粒子在重力场或离心场作用下迅速移动
节溶胶－凝胶合成法
目录
基本概念 溶胶凝胶法发展历程 溶胶凝胶基本原理 溶胶凝胶合成方法的适用范围 溶胶凝胶工艺过程 溶胶凝胶合成方法应用举例
回顾：
一、分散系
、定义：一种或一种以上的物质分散到另一种物质中所得到 的混合物
分散质：被分散的物质 （其中分散成微粒的物质）
分散剂：能分散分散质的物质 （微粒分散在其中的物质）
、 电泳现象(电学性质)
在外加电场作用下, 胶体粒子在分散剂里 向电极 (阴极或阳极) 作定向移动的现象, 叫做电泳
-
+Hale Waihona Puke ()胶体向阴极阴极
阳极
移动——带正电荷
原因：粒子胶体微粒带同种电荷，当胶粒带正 电荷时向阴极运动，当胶粒带负电荷时 向阳极运动。
胶体的胶粒有的带电，有电泳现象；有的不带 电，没有电泳现象。
朗
胶体体系动力稳定的因素之一
运
动
使胶粒互相碰撞，促使它们聚结变大
胶体体系动力不稳定的因素之一
原因：溶剂分子不均匀地撞击胶体粒子，使其 发生不断改变方向、改变速率的布朗运动。
胶体微粒作布朗运动是胶体稳定的原因之一。
练习:胶体粒子能作布朗运动的原因是 （ ） ①水分子对胶体粒子的撞击 ②胶体粒子有 吸附能力 ③胶体粒子带电 ④胶体粒子质 量很小，所受重力小 、①② 、①③ 、①④ 、②④
溶液、悬（乳）浊液、胶体
、分散系的分类
本质依据——分散质微粒直径大小
分散系
分散质微 粒直径
溶液
< (< )
胶体 （）
浊液
> （> ）
溶胶凝胶法的原理及应用
溶胶凝胶法的原理及应用一、溶胶凝胶法的概述溶胶凝胶法（Sol-Gel Method）是一种常用的合成材料的方法，通过将溶解的金属离子或有机小分子通过水解、聚合和凝胶化等反应途径，形成无机或有机凝胶材料的过程。
其原理主要涉及胶体、溶胶和凝胶等概念。
溶胶凝胶法具有简单、灵活、无污染等优点，因此被广泛应用于材料科学、化学工程等领域。
二、溶胶凝胶法的原理溶胶凝胶法的原理基于溶胶和凝胶之间的相变过程。
一般来说，溶胶是一个分散的微观颗粒体系，其中悬浮在连续相（通常是液体）中的固体颗粒称为胶体颗粒。
凝胶是由溶胶中的胶体颗粒所形成的三维网状结构。
溶胶凝胶法的基本步骤包括凝胶前体的合成、溶胶的形成、凝胶的生成和固化等。
2.1 凝胶前体的合成凝胶前体材料参与凝胶化反应的离子或分子形成的混合物。
凝胶前体的合成通常通过溶液混合、沉淀、配位等方法得到。
例如，将金属盐和络合剂溶解在溶剂中，通过相互反应形成凝胶前体材料。
2.2 溶胶的形成凝胶前体在溶液中进一步水解、聚合等反应，形成胶体粒子的过程称为溶胶形成。
在形成过程中，原子、离子或分子逐渐成为固体的胶体颗粒，并与溶剂中的液相形成分散体系。
2.3 凝胶的生成溶胶形成后，在适当的条件下，胶体颗粒开始聚集，形成凝胶结构。
这是因为胶体颗粒之间发生物理或化学相互作用的结果，例如凝胶颗粒表面的粒子间引力互相作用。
2.4 固化凝胶的固化是指将凝胶材料从液体状态转变为固体状态的过程。
这通常涉及热处理、化学反应或物理改变等方法。
固化后的凝胶形成坚硬的固体物质，具有一定的形状和结构。
三、溶胶凝胶法的应用溶胶凝胶法具有广泛的应用领域，以下是几个常见的应用方面：3.1 材料科学溶胶凝胶法被广泛应用于合成新型材料。
通过调控凝胶化条件和前体材料的组成，可以得到具有特殊结构和性能的材料。
例如，通过控制Silica凝胶中孔洞的大小和分布，可以制备具有高表面积和吸附性能的材料，可应用于催化剂、吸附剂等领域。
溶胶-凝胶法的原理和应用
溶胶-凝胶法的原理和应用1. 溶胶-凝胶法的概述溶胶-凝胶法是一种常用的制备纳米颗粒材料的方法。
它通过将溶胶转化为凝胶，再通过热处理或其他方式将凝胶转化为纳米颗粒材料。
这种方法可以制备出具有高比表面积和孔隙结构的材料，具有广泛的应用前景。
2. 溶胶-凝胶法的原理溶胶-凝胶法的制备过程一般包括四个步骤：溶胶的制备、凝胶的形成、凝胶的加工和热处理。
以下是具体的原理介绍：2.1 溶胶的制备溶胶是指由固体颗粒悬浮在液体中形成的胶体系统。
在溶胶制备过程中，需要选择合适的溶剂和溶质，并通过物理或化学方法将其混合均匀，形成胶体系统。
2.2 凝胶的形成凝胶是指溶胶中颗粒聚集形成的凝胶网状结构。
在凝胶形成过程中，需要调节溶胶中的各种参数，如pH值、温度、浓度等，以促使颗粒聚集并形成凝胶。
2.3 凝胶的加工凝胶形成后，需要对凝胶进行进一步的加工处理。
加工的方式可以是冷冻干燥、超临界流体萃取等，目的是去除溶剂，使凝胶更加稳定。
2.4 热处理经过凝胶加工后，需要将凝胶进行热处理，将凝胶转化为纳米颗粒材料。
热处理过程中，需要控制温度和时间等参数，以保证颗粒的形成和结构的稳定。
3. 溶胶-凝胶法的应用溶胶-凝胶法具有广泛的应用前景，以下是该方法在一些领域的应用示例：3.1 纳米材料制备溶胶-凝胶法可以用于制备各种纳米颗粒材料，如二氧化硅、氧化铁等。
这些纳米材料具有高比表面积和孔隙结构，广泛应用于催化、传感、光学等领域。
3.2 传感器制备利用溶胶-凝胶法可以制备出高灵敏度和高选择性的传感器。
通过调节溶胶-凝胶过程中的参数和材料组成，可以实现对特定物质的检测和识别。
3.3 催化剂制备溶胶-凝胶法制备的纳米颗粒材料具有较大的比表面积和孔隙结构，非常适合用作催化剂。
这些催化剂可以应用于化学反应、汽车尾气净化等领域，具有高效率和长寿命的特点。
3.4 能源存储材料制备溶胶-凝胶法可以制备出具有高比表面积和孔隙结构的能源存储材料，如超级电容器材料、锂离子电池材料等。
溶胶凝胶法的基本原理、发展及应用现状
溶胶凝胶法的基本原理、发展及应用现状一、本文概述溶胶凝胶法（Sol-Gel Method）是一种重要的材料制备技术，广泛应用于陶瓷、玻璃、金属氧化物、复合材料等多个领域。
本文旨在全面阐述溶胶凝胶法的基本原理、发展历程以及应用现状。
我们将深入探讨溶胶凝胶法的基本原理，包括溶胶的形成、凝胶化过程以及材料的微观结构和性能调控。
我们将回顾溶胶凝胶法的发展历程，从早期的探索阶段到如今的成熟应用，分析其技术进步和主要成就。
我们将重点关注溶胶凝胶法的应用现状，涉及领域广泛，如能源、环境、生物医学等，展望其未来的发展趋势和潜在应用。
通过本文的阐述，我们期望为读者提供一个全面、深入的溶胶凝胶法知识体系，为相关领域的研究和应用提供有益的参考。
二、溶胶凝胶法的基本原理溶胶凝胶法（Sol-Gel Method）是一种在湿化学领域广泛应用的材料制备技术，其基本原理涉及胶体化学和物理化学的基本原理。
该方法通过控制溶液中的化学反应，使溶液中的溶质原子或离子在液相中形成稳定的溶胶体系，随后经过凝胶化过程转化为固态凝胶，最后经过热处理等步骤得到所需材料。
在溶胶凝胶法的过程中，溶胶的形成是关键。
溶胶是由固体颗粒（通常为纳米尺度）分散在液体介质中形成的胶体分散体系。
这些固体颗粒可以通过水解和缩聚等化学反应从溶液中的前驱体（如金属盐或金属醇盐）中生成。
水解反应是指前驱体与水反应，生成相应的氢氧化物或氧化物，同时释放出水分子。
缩聚反应则是指这些氢氧化物或氧化物之间进一步发生化学反应，形成网络状的结构，从而使溶液转化为溶胶。
凝胶化过程是溶胶凝胶法的另一个重要阶段。
随着溶胶中固体颗粒的不断生成和长大，颗粒之间的相互作用逐渐增强，形成三维网络结构，使溶胶失去流动性，转变为固态的凝胶。
这一过程中，颗粒之间的相互作用力（如范德华力、氢键等）以及颗粒表面的电荷状态等因素起着重要作用。
通过热处理等步骤，可以去除凝胶中的残余水分和有机溶剂，同时使凝胶中的无机物发生结晶或相变，从而得到所需的材料。
溶胶凝胶法PPT演示课件
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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
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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：
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（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。
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➢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。
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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。
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（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。
溶胶-凝胶法及其应用[知识浅析]
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行业学习
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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
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。
行业学习
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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
超临界干燥是在干燥介质临界温度和临界压力的 条件下进行干燥，它可以避免物料在干燥过程中的收 缩和碎裂，从而保持物料原有的结构与状态，防止初 级纳米粒子的团聚，这对于各种纳米材料的制备极具 意义。
行业学习
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传统干燥方法存在的问题
传统的干燥方法如室温或加热条件下让溶剂自然挥发或通 过减压使溶剂挥发，都不可避免地造成气凝胶的体积逐步收缩， 以致开裂碎化，这是因为气凝胶中毛细孔内的流体在气液相交 界面上存在着表面张力的缘故。
若对于半径为r的圆柱形孔洞，流体表面张力引起的毛细管 收缩压强（capillary pressure）△p为：
2con
p pr r
（1）
（1）式中的 为液体的表面张力， 为弯曲液面与固体壁间
的湿润角。若考虑弯曲液面为球面，则：
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-凝胶法及其应用
聚合物凝胶材料的制备及其应用
聚合物凝胶材料的制备及其应用聚合物凝胶材料是一种全新的材料，它具有非常广泛的应用领域。
这种材料可以以多种形式存在，如胶体、泡沫、块状等。
聚合物凝胶材料制备简单，性能稳定，耐久耐用，可以广泛应用于多个领域，如智能材料、生物医学、环境保护等。
本文将从聚合物凝胶材料的制备及其应用进行介绍。
一、聚合物凝胶材料的制备1. 溶胶凝胶法溶胶凝胶法是制备聚合物凝胶材料的一种方法，它是将高分子物质化合物（单体、前驱体、预聚物、胶束等）在一定条件下通过某种方式形成具有凝胶性的结构。
这种方法适用于制备高分子凝胶材料，可以对其形态进行调控，例如半透明凝胶、透明凝胶、固体凝胶等.。
2. 原位聚合法原位聚合法是一种将单体在油水界面上聚合成聚合物凝胶材料的方法。
这种方法具有反应速度快，可控性强，成本低等优点。
3. 化学凝胶法化学凝胶法是一种将化学反应生成的物质通过特定条件结合成凝胶材料。
例如，粘土凝胶是通过电解反应生成的水铝硅酸盐分子堆积而形成的。
二、聚合物凝胶材料的应用1.智能材料聚合物凝胶材料具有优异的吸附性、选择性和敏感性等特性，可以应用于智能材料领域。
例如，凝胶材料可以通过触发内部反应改变化学活性和物理性质，从而控制材料的形态和性能。
2. 生物医学聚合物凝胶材料在生物医学领域也有广泛的应用。
例如，在组织工程中使用的聚合物凝胶可以模拟自然组织的结构和功能，可以作为细胞载体，促进细胞生长和重建组织。
3. 环境保护聚合物凝胶材料可以用于环境保护。
例如，一种叫做聚丙烯酰胺凝胶的材料可以被用来清除地下水中的有机污染物。
4. 化学品分离和吸附聚合物凝胶材料也可以应用于化学品分离和吸附。
例如，在高效液相色谱分离中，聚合物凝胶被用作填充柱材，从而实现样品分离。
结论总的来说，聚合物凝胶材料的制备简单，适用性强，可应用于多个领域。
我们相信随着工艺和应用的进一步发展，聚合物凝胶材料将会成为多领域的材料。
溶胶凝胶法的基本原理、发展及应用现状
溶胶凝胶法的基本原理、发展及应用现状一、本文概述1、溶胶凝胶法的定义溶胶凝胶法（Sol-Gel Method）是一种广泛应用于材料科学领域的湿化学合成方法。
该方法基于溶胶（sol）和凝胶（gel）两个关键阶段的转换，通过控制化学反应条件，使前驱体在溶液中发生水解和缩聚反应，形成稳定的溶胶体系。
随着反应的进行，溶胶粒子逐渐增大并相互连接，形成三维网络结构的凝胶。
最终，通过热处理等后处理手段，凝胶转化为所需的纳米材料或涂层。
溶胶凝胶法的基本原理在于利用前驱体在溶液中的化学反应活性，通过控制反应条件如温度、pH值、浓度等，使前驱体在分子或离子水平上均匀混合，并发生水解和缩聚反应。
这些反应使得前驱体之间形成化学键合，进而形成稳定的溶胶体系。
随着反应的进行，溶胶粒子逐渐增大并相互连接，形成三维网络结构的凝胶。
这种凝胶具有高度的多孔性和比表面积，为后续的材料处理和应用提供了良好的基础。
溶胶凝胶法的发展可以追溯到20世纪初，但直到近年来，随着纳米科技的兴起和人们对材料性能要求的不断提高，溶胶凝胶法才得到了广泛的应用和研究。
目前，溶胶凝胶法已经成为制备纳米材料、薄膜、涂层和复合材料等的重要方法之一。
同时，随着科学技术的不断进步，溶胶凝胶法在反应机理、材料设计、工艺优化等方面也取得了显著的进展。
在应用方面，溶胶凝胶法已经广泛应用于陶瓷、玻璃、金属氧化物、复合材料等多个领域。
例如，在陶瓷领域，溶胶凝胶法被用于制备高性能的陶瓷材料，如氧化铝、氧化锆等。
在金属氧化物领域，该方法被用于制备纳米金属氧化物颗粒，如二氧化钛、氧化铁等，这些颗粒在光催化、气敏传感器等领域具有广泛的应用前景。
溶胶凝胶法还在涂层和复合材料的制备中发挥着重要作用，如制备防腐涂层、功能薄膜等。
溶胶凝胶法作为一种重要的湿化学合成方法，在材料科学领域具有广泛的应用前景。
随着科学技术的不断进步和人们对材料性能要求的不断提高，溶胶凝胶法将在更多领域发挥重要作用。
第四章 溶胶-凝胶法
失醇反应：
M OR HO M M O M ROH
21
缩聚反应
22
五、金属无机盐、金属醇盐溶胶-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
23
六、水－金属无机盐溶胶-凝胶反应
6.1 水-金属无机盐体系的水解反应 金属无机盐在室温下于过
时间过长，粒子长大、团聚，不易形成超细结构。
38
（5）湿凝胶体的干燥
凝胶的干燥过程： 持续的收缩和硬化 产生应力 破裂
干燥初期，液相填充于凝胶孔中，
无毛细管力； 进一步蒸发, 凝胶承受毛细管压力, 将颗粒挤 压在一起； 凝胶中毛细孔孔径大小不匀, 产生的毛细管压力 的大小不等, 造成的应力差导致凝胶开裂。 39
金属 Li，Na Cu Ca，Sr，Ba Zn B，Al，Ca Y Si，Ge Pb P，Sb V，Ta W La，Na La-Al Mg-Al Ni-Al Zr-Al Ba-Zr
醇盐实例 LiOCH3(s)，NaOCH3(s) Cu(OCH3)2(s) Ca(OCH3)2(s)，Sr(OC2H5)2(s)，Ba(OC2H5)2(s) Zn(OC2H5)2(s) B(OCH3)3(s)，Al(OC3H7)3(s)，Ga(OC2H5)3(s) Y(OC4H9)3 Si(OC2H5)4(l)，Ge(OC2H5)4(l) Pb(OC4H9)4(l) P(OCH3)3(l)， Sb(OC2H5)3(l) VO(OC2H5)3(l)，Ta(OC3H7)5(l) W(OC2H5)6(s) La(OC3H7)(s)，Nb(OC2H5)3(s)
增加胶粒的电荷量 利用位阻效应 溶剂化效应
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二、溶胶－凝胶法的基本原理
醇盐溶胶-凝胶法基本工艺过程示意：
溶胶－凝胶合成生产设备
2 1 3 4 5 1 3 4 2
5
6
7
机械搅拌溶胶－凝胶 合成反应示意图 1.回流装置 2. 机械 搅拌器 3.温度计 4.容器 5. 水热装置
磁力搅拌溶胶－凝胶合成反应示 意图 1.容器 2. 密封盖板 3.反应 溶液 4.转动磁子 5. 磁力搅拌器加热板 6. 温度 调节器 7. 转速调节器
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
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
这种特殊的网架结构赋予凝胶很高的比表面。
溶胶与凝胶是两种相互联系的状态
溶胶经过陈化，胶粒间缓慢聚合，形成以前驱体 为骨架的三维聚合物或者是颗粒空间网络，网络 中充满失去流动性的溶剂，这就是凝胶。溶胶向 凝胶转变过程主要是溶胶粒子聚集成键的聚合过 程。
溶胶（Sol）是由孤立的 沉淀物（precipitate）由 细小粒子或大分子组成，分 孤立粒子聚集体组成而区别于 散在溶液中的胶体体系。
凝胶。
当液相为水时称为水溶 胶（Hydrosol）;当为醇时称 为醇溶胶（alcosol）。 凝胶（Gel）是一种由 细小粒子聚集而成三维网状 结构的具有固态特征的胶态 体系，凝胶中渗有连续的分 散相介质。 按分散相介质不同可分 为水凝胶、醇凝胶和气凝胶。 溶胶、凝胶和沉淀物的区分
1、TG-DSC 分析
1、TG-DSC 分析
从TG 曲线可以看出，样品的质量损失发生在100～ 700 ℃，质量损失率达到78.14%； 从DSC 曲线可以看出，在100～200 ℃阶段，主要是 干凝胶表面吸附水以及残留水分的挥发，同时也包 括了硝酸的分解氧化过程； 在200～550 ℃阶段，出现了362.4，489.9 和518.8 ℃ 三个放热峰，同时质量损失率达到38.11%，主要是 柠檬酸和柠檬酸盐的氧化分解生成CaCO3 和Co3O4 的过程； 在600～700 ℃阶段，出现了670.6 ℃的吸热峰和 683.4 ℃的放热峰，应为CaCO3 分解得到CaO并与 Co3O4 晶化得到Ca2Co2O5 的过程；从700 ℃开始， TG 曲线平滑，无质量损失出现，因此700 ℃应为 Ca2Co2O5 的合适煅烧温度。
四、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
DCCA 法
控制干燥的化学添加剂( dryingcontrol chemical additives, 简称DCCA) 是一类具有低蒸气压的有 机液体, 常用的有甲酞胺、二甲基甲酞胺、丙三醇 和草酸等。向醇溶剂中添加一定量的DCCA, 可以提 高凝胶的稳定性 , 减少干燥过程中凝胶破裂的可 能性,但延长了干燥周期。不同的DCCA 其作用机理 不尽相同, 但都是由于它们的低挥发性, 能把不同 孔径中的醇溶剂的不均匀蒸发大大减少, 从而减少 干燥应力。
制备过程的特点是: 能用可溶性盐的均匀溶液 来调制出复杂组成的粉末原料。靠急速的冻结, 可 以保持金属离子在溶液中的均匀混合状态。通过冷 冻干燥可以简单制备无水盐。经冻结干燥生成多孔 性干燥体, 透气性好。在煅烧时生成的气体易于放 出, 同时,到物料内部, 由内向外的 加热方法, 不像传统的加热方法, 靠物料 本身的热传导来进行。两者相比, 微波加 热具有以下特点: 加热速度快; 反应灵敏; 加热均匀。微波加热场中无温度梯度存在, 热效率高。
溶胶－凝胶法及其应用
目
录
基本概念 基本原理和工艺过程 凝胶的干燥 常用测试方法 应用举例 优势与缺陷
一、溶胶－凝胶法的基本概念
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,微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停 的做布朗运动。
无毛细管力起作用。当进一步蒸发使凝胶减少的体
积小于蒸发掉的液体的体积时, 凝胶承受一个毛细 管压力, 将颗粒挤压在一起。
三、凝胶的干燥
由于凝胶中毛细孔孔径大小不匀, 产生的 毛细管压力的大小不等, 由此造成的应力差 导致凝胶开裂。实践表明, 除了凝胶本身的 尺寸因素, 干燥速率也是一个重要因素。要 保持凝胶结构或得到没有裂纹的烧结前驱体, 最简单的方法是在大气气氛下进行自然干燥。 对于自然干燥制备干凝胶, 为了防止伴随溶 剂蒸发过程而产生的表面应力以及凝胶中不 均匀毛细管压力的产生, 干燥速度必须限制 在较低的值。
3、FT-IR 分析
其中3 419.45cm–1 处是样品表面吸附水和羧基中的O—H伸缩 振动峰； 1 718.04cm–1和1 236.04cm–1是金属离子与酯基基团（COO—） 形成的酯化物的吸收峰，表明金属离子和柠檬酸根离子之间 形成了配位键；1 628.18cm–1 处是硝基酯的NO2的不对称伸缩 振动峰；1 384.80，879.53cm–1处是游离的NO3–的特征吸收 峰；1 093.45cm–1 处是C—O 伸缩振动吸收峰；609.30cm–1 处是C—O—M 的伸缩振动峰。经过700℃煅烧36h的样品中，3 422.44cm–1是样品表面吸收水分的O—H 伸缩振动峰；1 430.50cm–1是C—C 振动的结果；874.74，732.22， 585.63cm–1 分别归属于Ca—O 和Co—O 的特征吸收峰，说明 干凝胶经过煅烧后，绝大多数有机物已经反应生成CO2和H2O， 只有极少量具有C—C的有机物必须在较高的温度下才能除去。
简单的讲，溶胶－凝胶法就是以金属无机 物或金属醇盐作前驱体，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。
前驱体
溶解
水解
缩聚
老化
溶液
溶胶
溶胶
凝胶
溶胶-凝胶法基本的名词术语
前驱体（precursor）: 所用的起始原料。 金属醇盐（metal alkoxide）: 有机醇-OH 上的H为金属M所取代的化合物。一般金属 有机物是以M-C键结合，而金属醇盐是以MO-C键结合。 胶凝时间(gel point time): 在完成凝胶 的大分子聚合过程中最后键合的时间。 单体(monomer)和聚合物(polymer)
柠檬酸溶胶-凝胶法制备Ca2Co2O5 粉体 及结构表征
分析纯Ca(NO3)2· 4H2O、Co(NO3)2· 6H2O， 柠檬酸（HOOCCH2C(OH)(COOH)CH2COOH）为原 料，按照化学计量比混合，溶解于适量的去离子水中， 超声波分散60min后置于80℃的水浴锅中加热，缓慢蒸 发得到具有一定黏度和流动性的透明溶胶，继续蒸发 得到粘滞的粉红色凝胶，然后置于120 ℃的干燥箱中进 行真空干燥，最终得干凝胶。将干凝胶磨碎成粉末在 700 ℃下进行焙烧得到黑色的Ca2Co2O5粉体。
2、XRD 分析
当煅烧时间为24h时，虽然主晶相为Ca2Co2O5，但是还 有少量的CaO和Co3O4没有充分反应，当煅烧时间达到 36h时，得到单相Ca2Co2O5粉体。
图3 为干凝胶在不同煅烧温度下煅烧36 h 得到的粉体的 XRD 谱，从图中可以看出：在600 ℃下煅烧得到的样 品中虽然已经有Ca2Co2O5生成，但是含量极少，图谱 上主要还是CaCO3和Co3O4的衍射峰；当温度升高到 700℃时，图谱上完全是Ca2Co2O5的衍射峰，说明此时 样品为Ca2Co2O5单相，这与上述TG-DSC的分析结果 完全一致；当温度升高至800℃时，XRD谱上出现了 CaO峰，说明Ca2Co2O5开始分解。
4、SEM 分析
图5(a)显示样品的形貌具有片层状结构；图5(b)为单个 颗粒的局部放大图，晶粒为粒状和棒状，平均粒径在 50nm左右。
当干凝胶在700℃下煅烧时，在煅烧的初期得到纳米尺 寸晶粒，但是形状并不规则；随着煅烧时间的进一步延 长，晶粒开始长大，由于Ca2Co2O5晶体结构呈高度二 维特性，因此在晶粒长大的过程中表现出一定程度的择 优取向，当煅烧时间达到36h时，晶粒相互靠近形成如 图5(a)所示的片层状结构大颗粒，同时由于在700℃下 进行煅烧，晶粒生长较为缓慢，并且没有其他外力作用， 因此形貌呈现疏松多孔状。
干凝胶的热处理
由多孔疏松凝胶转变成可应用的材料至少有 4 个历程: 毛 细收缩、缩合聚合、结构弛豫和粘滞烧结。热处理的目的是消 除干凝胶中的气孔 , 使制品的相组成和显微结构能满足产品性 能的要求。在加热过程中, 干凝胶先在低温下脱去吸附在表面 的水和醇,265-300℃发生OR基的氧化,300℃以上则脱去结构中 的OH基。由于热处理过程伴随较大的体积收缩、各种气体的释 放( CO2、H2O、ROH),加之OR基在非充分氧化时还可能炭化 ,在 制品中留下炭质颗粒,所以升温速度不宜过快。在烧结过程中, 由于凝胶的高比表面积、高活性凝 胶粒子的开孔模型或闭孔模型 ,从理论上加以计算。采用热压 烧结工艺可以缩短烧结时间 , 提高产品质量。凝胶的烧成也受 凝胶骨架的影响。除骨架结构之外 , 对凝胶的加热收缩产生影 响的还有凝胶的成分、气体孔径和加热速度等因素。
溶胶－凝胶法的基本原理
溶剂化：金属阳离子Mz+ 吸引水分子形成溶剂单元
M(H2O)nz+, 为保持其配位数, 具有强烈释放H+的趋势。 M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+ 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 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