溶胶-凝胶法制备Fe2O3／SiO2薄膜

溶胶-凝胶法制备Fe2O3／SiO2薄膜

一﹑实验目的

1.溶胶凝胶的原理

2.溶胶－凝胶法合成薄膜Fe2O3／SiO2

3.复习及综合应用无机化学的反应理论，物理化学的胶体理论

4.通过实验，进一步加深对基础理论的理解和掌握，做到有目的合成，提高实验思维与实验技能

二﹑实验简介

溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停的进行布朗运动的体系。根据粒子与溶剂间相互作用的强弱，通常将溶胶分为亲液型和憎液型两类。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高，溶胶是热力学不稳定体系。凝胶是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联，形成空间网状结构，在网状结构的孔隙中充满了液体(在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。并非所有的溶胶都能转变为凝胶，凝胶能否形成的关键在于胶粒间的相互作用力是否足够强，以致克服胶粒－溶剂间的相互作用力。对于热力学不稳定的溶胶，增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。因此，胶粒间相互靠近或吸附聚合时，可降低体系的能量，并趋于稳定，进而形成凝胶。

三﹑实验原理

溶胶－凝胶法(Sol－Gel法)是指无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的方法。

具体以硝酸铁和正硅酸乙酯分别作为氧化铁和SiO2的前驱体，通过溶胶一凝胶工艺制备了Fe2O3／SiO2纳米复合粉体．若使用氯化铁为氧化铁前驱体，SiO2基体中则会生成Fe2O3．当干凝胶热处理温度较低时(T<400℃)，复合粉体(硝酸铁为前驱体)以非晶态存在．当达到600℃时，Fe2O3粒子在SiO2基体中大量形成随着热处理温度的进一步升高，粉体中开始有Fe2O3杂质生成。

四﹑实验仪器试剂

仪器：量筒，烧杯，锥形瓶，容量瓶，滴管，电磁搅拌器，恒温干燥厢，高温炉；试剂：硝酸铁和正硅酸乙酯，无水乙醇，盐酸，蒸馏水，双氧水等。

五﹑实验内容与过程：

Fe2O3的制备：

所用试剂主要包括正硅酸乙酯、无水乙醇、Fe(NO3)3·9H20和FeC13·6H20，皆为分析纯．

1计量：将86mL 正硅酸乙酯溶于153mL无水乙醇中制得溶液X，将29gFe(NO3)3·9H2O溶于61mL蒸馏水中得到红棕色透亮溶液Y。

2混合：室温下量取红棕色透亮溶液Y，缓慢滴入到溶液X中，用磁力搅拌器强力搅拌10min，混合均匀，形成棕褐色澄清溶液A。继续将冰醋酸和蒸馏水加到另300mL无水乙醇中，剧烈搅拌，得到溶液B，滴入1-2滴盐酸，调节pH 值使pH≤3。

3水解及溶胶：室温水浴下，在剧烈搅拌下将已移入恒压漏斗中的溶液A缓慢滴入溶液B中，滴速大约3 mL/min。滴加完毕后得深褐色溶液，继续搅拌半小时后，40℃水浴加热，1h后得到棕色溶胶(倾斜烧瓶凝胶不流动)。

4陈化：置于室温下静放，大约24h，得到较为理想棕色凝胶，为后面的实验做准备。

5玻璃片处理：

先将片用实验洗涤剂清洗干净，再将玻璃放于超声波清洗机清洗机器中，用去离子水完全震荡清洗40min，保证玻璃片上的杂物除尽，将其取出，用吹风机吹干备用。

6涂层：将玻璃片分成四组,将其依次标为A，B，C，D组，A,B先在双氧水的反复提拉数次，取出烘干并标记，将ABCD四组都在已经制备的溶胶凝胶中提拉相同的次数，将其放在干燥箱中烘干20min.取出，将A，B，C，D分别在溶胶凝胶中提拉3，5，3，5次，再将其全部放在干燥箱中110-150℃烘干20min，将其取出，A，C组均提拉两次，B，D提拉三次，再将其放在干燥箱中相同温度烘干，将其取出，A，C组不做处理，B，D组在均提拉一次，放入干燥箱中相同温度烘干，将其取出，得到不同程度处理涂层的玻璃片A，B，C，D组。7热处理：将ABCD放入马费炉子中，升温到550℃，保温40min,将实验品取出，得到四组不同的实验组，实验结果均较为理想，都得到均匀透明的棕色的玻璃片，期中BD组的实验结果更为理想，达到预期的结果。

六﹑实验结果分析讨论

通过查阅相关的文献资料，可以粗略的得出以下结论：

1氧化铁前驱体种类对Fe203／SiO2纳米复合粉体的影响

图1给出的是分别利用铁的硝酸盐和氯盐为氧化铁的前驱体，经600热处理后生成的样品B以及C的X射线衍射图谱．两条谱线在20~-,25。附近都出现了与非品SiO2相对应的宽的弥散峰．与C相对应的谱线中出现的其他衍射峰是

与αFe203相对应的特征峰．与B相对应的谱线中的其他特征峰则为尖晶石型γFe203或Fe3O4的特征衍射峰．从计算所得品格常数值(ao=8．342)以及试样所呈现的棕赭色判断，B复合粉体中生成的应为Fe203(ao=8．351)而不是Fe3O4(a0=8．3967，黑色)．在Fe2O3／SiO2纳米复合粉体的研制过程中，最终会生成αFe2O3还是γFe2O3是由制备起始阶段中生成的中间产物(铁的含氧氢氧化物)的种类所决定．以氯化铁和硝酸铁作为氧化铁前驱体时，中间产物分别为βFeOOH和γFeOOH["]．经过加热，βFeOOH会发生溶解再结晶过程而生成αFe 2O3，而γFeOOH会直接转变为γFe2O3．因此要制备γFe 2O3／SiO2纳米复合粉体，应选用硝酸铁做氧化铁前驱体。

2温度对Fe 2O3／SiO2纳米复合粉体的影响

图2是A，A400，A600，A700的x射线衍射图谱．在所有的温度点下，2ÆΦ≈25。附近都出现了与非晶SiO2相对应的宽弥散峰．试样A为非晶态，400℃热处理后试样所对应的衍射图中开始有极其微弱的γFe203特征峰出现，表明此时在SiO2基体中已有少量的αFe2O3生成，当热处理温度达到600℃时，从衍射峰上看γFe2O3已结晶完整，随着热处理温度进一步升高到700℃，衍射图谱中开始有αFe2O3的特征峰出现．因此，要制备纯的γFe2O3／SiO2纳米复合粉体，最佳热处理温度应为600℃．

3盐酸的添加对复合粉体中磁性颗粒大小及尺寸分布的影响