溶胶-凝胶法合成纳米颗粒的研究进展

齐齐哈尔大学材料制备原理课程论文题目溶胶-凝胶法合成纳米颗粒的研究进展学院材料科学与工程学院专业班级无机091学生姓名武艳霞2012年3月16日溶胶-凝胶法合成纳米颗粒的研究进展武艳霞(无机091)溶胶凝胶法合成纳米颗粒的研究进展随着纳米材料研究的深入，纳米制备方法越发受到人们的关注，这意味着纳米材料的研究已可以按照人们的意愿设计、组装、创造新的体系，更有目的地使该体系具有人们所希望的特性，技术上的飞跃，为纳米材料的应用进一步打开市场的大门，在广泛的领域形成了一大批高技术产品。1.1凝胶凝胶法1.1.1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（简称S—G法），是以有机或无机盐为原料，在有机介质中进行水解、缩聚反应，使溶液经溶胶-凝胶化过程得到凝胶，凝胶经加热（或冷冻）干燥、锻烧得到产品。该法得到的粉末均匀，分散性好，纯度高，煅烧温度低，反应易控制，副反应少，工艺操作简单，但原料成本较高。1.1.2成分简介胶体（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1～100nm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。2.1发展历史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。3.1化学过程溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。其最基本的反应是：(l）水解反应：M(OR)n+H2O→M(OH)x(OR)n－x+xROH(2)聚合反应：－M－OH+HO－M－→－M－O－M－+H2O－M－OR+HO－M－→－M－O－M－+ROH4.1基本原理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。5.1方法优缺点溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料。溶胶一凝胶法也存在某些问题：通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长（主要指陈化时间），常需要几天或者几周；还有就是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩6.1重要应用金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。溶胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法，在软化学合成中占有重要地位。在制备玻璃、陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得重要应用，更广泛用于制备纳米粒子。7.1具体应用领域①材料学：高性能粒子探测器，隔热材料，声阻抗耦合材料，电介质材料，有机-无机杂化材料，金属陶瓷涂层耐蚀材料，纳米级氧化物薄膜材料，橡胶工业合成钇铁石榴石采用溶胶-凝胶法制备了YIG纳米晶粉体材料，分析了合成条件（pH值、浓度、反应温度和反应时间）以及热处理等影响材料合成的主要参数，利用DTA，TGA，XRD，TEM等手段对材料的制备过程和产物进行了分析，探讨材料制备最适宜的工艺条件，着重研究了热处理工艺对YIG的晶相和颗粒尺度等物理特性的影响，实验结果表明，YIG相的形成是一个放热温度始于500℃，峰位于759℃的缓缓的放热过程，且样品平均晶粒尺寸随热处理呈规律性变化，因此可以通过采用溶胶-凝胶法及适当的热处理条件在较低的温度下制备单相YIG纳米粉体材料。②催化剂方面：金属氧化物催化剂，包容均相催化剂，③色谱分析：制备色谱填料，制备开管柱和电色谱固定相，电分析，光分析采用溶胶-凝胶技术，在球形催化剂存在的条件下，制备出符合电子封装材料要求的高纯球形纳米非晶态硅微粉，打破了美、日、德等少数国家对该技术的垄断局面，表明我国球形硅微粉研究获得新的重大进展。日前，成都理工大学自行研制的“一种用天然粉石英制备高纯球形纳米非晶态硅微粉的方法”，获得国家知识产权局专利申请。