溶胶－凝胶法及其应用学生：彭家喜导师：王树东 研究员
2009-7-31
Seminar Ⅰ
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。
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。
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－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。
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。
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
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
（ 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 溶胶纳米颗粒纤维湿凝胶涂层、薄膜气凝胶 多孔材料干凝胶 致密块体溶胶－凝胶法应用（ 1）
— 铝胶制备及化学机理
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
[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
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
（ Precipitation-Peptization）
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 。
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
Fe(NO3)3.6H2O
Fe(NO3)3溶液
La,Fe=1:1
柠檬酸
LaFeO3的超细粉末 10～ 100nm
La3+,Fe3+的柠檬酸溶液
50～ 80℃
含 La3+,Fe3+的凝胶含 La3+,Fe3+的溶胶
60～ 90℃
干凝胶热处理
120℃
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
混合溶液凝胶纤维铷玻璃纤维粘性溶胶搅拌（室温）
放置、脱水（室温～ 8 0％）
拉纤维（室温）
加热（ 10℃ /h）
500℃ 1h，冷却至室温溶胶－凝胶法的应用
－功能材料中制备膜材料
Nd(NO3)3.6H2O
H2O,HCl
C2H5OH
C2H5OH
Si(OCH3)4
混合溶液粘性溶胶包覆膜保持 2～ 4h，室温包覆
Nd.SiO2膜加热 1h
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。
谢 谢！！
2009-7-31
Seminar Ⅰ
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。
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。
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－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。
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。
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
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
（ 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 溶胶纳米颗粒纤维湿凝胶涂层、薄膜气凝胶 多孔材料干凝胶 致密块体溶胶－凝胶法应用（ 1）
— 铝胶制备及化学机理
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
[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
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
（ Precipitation-Peptization）
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 。
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
Fe(NO3)3.6H2O
Fe(NO3)3溶液
La,Fe=1:1
柠檬酸
LaFeO3的超细粉末 10～ 100nm
La3+,Fe3+的柠檬酸溶液
50～ 80℃
含 La3+,Fe3+的凝胶含 La3+,Fe3+的溶胶
60～ 90℃
干凝胶热处理
120℃
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
混合溶液凝胶纤维铷玻璃纤维粘性溶胶搅拌（室温）
放置、脱水（室温～ 8 0％）
拉纤维（室温）
加热（ 10℃ /h）
500℃ 1h，冷却至室温溶胶－凝胶法的应用
－功能材料中制备膜材料
Nd(NO3)3.6H2O
H2O,HCl
C2H5OH
C2H5OH
Si(OCH3)4
混合溶液粘性溶胶包覆膜保持 2～ 4h，室温包覆
Nd.SiO2膜加热 1h
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。
谢 谢！！
