溶胶凝胶法电子教案
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R 'O S H (O i)4 R S (O i)3 (O R ') R ROH
6
3. 凝胶（Gel）： 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
按分散相介质不同可分为水凝 胶、醇凝胶和气凝胶
7
溶胶与凝胶的比较
Sol：由孤立的细小粒子 或大分子组成，分散在 溶液中的胶体体系。
Gel：是一种由细小粒子
溶胶－凝胶法基本概念
一、溶胶-凝胶法基本名词术语
1. 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。
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
4
2. 溶胶(sol)
具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了
1~100nm粒子(基本单元)。
16
3ຫໍສະໝຸດ Baidu3 提高溶胶稳定性的途径：
增加势垒的高度
增加胶粒的电荷量
阻止颗粒相互接近 利用位阻效应
溶剂化效应
颗粒
颗粒
17
溶胶－凝胶合成原理 一、原理： 将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝 形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥、 焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。
溶胶的 制备
先沉淀后解凝 控制沉淀过程
直接获得溶胶
溶胶-凝胶 转化
迫使胶粒间相互
靠近
控制电解质浓度
凝胶 干燥
加热蒸
发
焙烧等 18
二、溶胶-凝胶法基本反应 1 溶剂化
M ( H 2 O ) n z M ( H 2 O ) n 1 ( O ) ( Z 1 ) H H 2 水解反应（溶胶）
M (O)n R xH 2O M (O)H x(O)n R xxRO M (O)n R xH 2O M (O)H nnROH 3 缩聚反应（凝胶） 失水反应： M O O H M H M O M H 2 O 失醇反应： M O H R M O M O M R 19
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。
5.前驱物(precursor)：所用的起始原料。
6.金属醇盐(metal alkoxide)：有机醇-OH上的H为 金属所取代的有机化合物。
10
二、溶胶与凝胶的联系 1)溶胶－凝胶转变； 2)凝胶具有触变性； （凝胶能转化为溶胶） 3)凝胶和溶胶可共存，组成复杂的胶态体系。
11
溶胶稳定理论 1 溶胶体系的相互作用力
范德华力 库伦力 空间阻力
溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能和引 力势能的相对大小
12
2 DLVO理论（静电稳定理论、双电层排斥理论）
双电层
表面电荷层
溶液中反 号离子层
紧密层 扩散层
由反号离子电性中心构成的平面称为Stern平面
13
由于离子的溶剂化作用，胶粒在移动时，紧密层会结合一定 数量的溶剂分子一起移动，所以滑移的切动面由比Stern层略 右的曲线表示。
从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为
14
DLVO理论：
微粒间总相互作用能： ΦT= ΦA + ΦR
（1）微粒间的吸引能（ΦA） （2）微粒间的排斥作用能（ ΦR） （3）微粒间总相互作用能（ ΦT）
15
＋
微粒的物理稳定性取决于
ΦT
总势能曲线上势垒的大小
第二极小值
－ 第一极小值
特点： 粒子间存在阻止粒子接触的势垒 存在第一极小值（键合的团聚粒子） 存在第二极小值（可逆絮凝）
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。
8
溶胶与凝胶的结构差异
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
9
4.凝胶时间(gel point time)：在完成凝胶的大分 子聚合过程中最后键合的时间。
溶胶－凝胶法
报告人：谢园园
1
溶胶-凝胶法的发展历程 溶胶-凝胶法基本概念 溶胶稳定理论 溶胶－凝胶合成原理 溶胶－凝胶合成工艺 溶胶－凝胶合成法的应用
2
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。
23
水-金属无机盐体系的缩聚反应
胶粒脱水； 脱水凝胶化： 扩散层中电解质浓度增加；
凝胶化能垒逐渐减小。
碱性凝胶化：
调节pH值； 减少胶粒表面正电荷； 能垒高度降低；
x ( H 2 O M ) n z y O a M A x O u H ( O ) y 2 u ( H 2 O H ) n A a ( x y a ) z ( x u n ) H 2 O
水解反应
20
缩聚反应
21
三、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
22
3.1 水－金属无机盐溶胶-凝胶反应 水解反应
浓缩法：控制反应直接 制备溶胶
分散法：金属无机盐在 室温下于过量 水中水解，形 成溶胶
M n n2 H O M ( O )n H n H
溶胶的特点：
（1）溶胶不是物质而是一种“状态”
（2）溶胶与溶液的相似之处
溶质+溶剂→溶液
分散相+分散介质→溶胶(分散系)
5
（3）溶胶的稳定性 亲液溶胶
分散相和分散介质之间有很好的亲和能力； 没有明显的相界面； 热力学稳定体系 憎液溶胶 分散相与分散介质之间亲和力较弱； 有明显的相界面； 热力学不稳定体系
其中：A－为胶溶过程中所加入的酸根离子。
24
3.2 醇-金属醇盐体系溶胶-凝胶反应 醇-金属醇盐体系的水解反应
Mn (H O x 2 O R M )x O (n O - x R R x HO )
(R )3 S O O i H R 1 O 8 H (R )3 S O 1 i O 8 R HO
6
3. 凝胶（Gel）： 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
按分散相介质不同可分为水凝 胶、醇凝胶和气凝胶
7
溶胶与凝胶的比较
Sol：由孤立的细小粒子 或大分子组成，分散在 溶液中的胶体体系。
Gel：是一种由细小粒子
溶胶－凝胶法基本概念
一、溶胶-凝胶法基本名词术语
1. 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。
光源
凸透镜
Fe(OH)3胶体
光锥
丁达尔效应示意图
4
2. 溶胶(sol)
具有液体特征的胶体体系，在液体介质中分散了
1~100nm粒子(基本单元)。
16
3ຫໍສະໝຸດ Baidu3 提高溶胶稳定性的途径：
增加势垒的高度
增加胶粒的电荷量
阻止颗粒相互接近 利用位阻效应
溶剂化效应
颗粒
颗粒
17
溶胶－凝胶合成原理 一、原理： 将金属醇盐或无机盐经水解直接形成溶胶或经解凝 形成溶胶，然后使溶胶聚合凝胶化，再将凝胶干燥、 焙烧去除有机成分，最后得到无机材料。
溶胶的 制备
先沉淀后解凝 控制沉淀过程
直接获得溶胶
溶胶-凝胶 转化
迫使胶粒间相互
靠近
控制电解质浓度
凝胶 干燥
加热蒸
发
焙烧等 18
二、溶胶-凝胶法基本反应 1 溶剂化
M ( H 2 O ) n z M ( H 2 O ) n 1 ( O ) ( Z 1 ) H H 2 水解反应（溶胶）
M (O)n R xH 2O M (O)H x(O)n R xxRO M (O)n R xH 2O M (O)H nnROH 3 缩聚反应（凝胶） 失水反应： M O O H M H M O M H 2 O 失醇反应： M O H R M O M O M R 19
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。
5.前驱物(precursor)：所用的起始原料。
6.金属醇盐(metal alkoxide)：有机醇-OH上的H为 金属所取代的有机化合物。
10
二、溶胶与凝胶的联系 1)溶胶－凝胶转变； 2)凝胶具有触变性； （凝胶能转化为溶胶） 3)凝胶和溶胶可共存，组成复杂的胶态体系。
11
溶胶稳定理论 1 溶胶体系的相互作用力
范德华力 库伦力 空间阻力
溶胶的相对稳定性或聚沉取决于斥力势能和引 力势能的相对大小
12
2 DLVO理论（静电稳定理论、双电层排斥理论）
双电层
表面电荷层
溶液中反 号离子层
紧密层 扩散层
由反号离子电性中心构成的平面称为Stern平面
13
由于离子的溶剂化作用，胶粒在移动时，紧密层会结合一定 数量的溶剂分子一起移动，所以滑移的切动面由比Stern层略 右的曲线表示。
从固体表面到Stern平面，电位从0直线下降为
14
DLVO理论：
微粒间总相互作用能： ΦT= ΦA + ΦR
（1）微粒间的吸引能（ΦA） （2）微粒间的排斥作用能（ ΦR） （3）微粒间总相互作用能（ ΦT）
15
＋
微粒的物理稳定性取决于
ΦT
总势能曲线上势垒的大小
第二极小值
－ 第一极小值
特点： 粒子间存在阻止粒子接触的势垒 存在第一极小值（键合的团聚粒子） 存在第二极小值（可逆絮凝）
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。
8
溶胶与凝胶的结构差异
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
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4.凝胶时间(gel point time)：在完成凝胶的大分 子聚合过程中最后键合的时间。
溶胶－凝胶法
报告人：谢园园
1
溶胶-凝胶法的发展历程 溶胶-凝胶法基本概念 溶胶稳定理论 溶胶－凝胶合成原理 溶胶－凝胶合成工艺 溶胶－凝胶合成法的应用
2
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。
23
水-金属无机盐体系的缩聚反应
胶粒脱水； 脱水凝胶化： 扩散层中电解质浓度增加；
凝胶化能垒逐渐减小。
碱性凝胶化：
调节pH值； 减少胶粒表面正电荷； 能垒高度降低；
x ( H 2 O M ) n z y O a M A x O u H ( O ) y 2 u ( H 2 O H ) n A a ( x y a ) z ( x u n ) H 2 O
水解反应
20
缩聚反应
21
三、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
22
3.1 水－金属无机盐溶胶-凝胶反应 水解反应
浓缩法：控制反应直接 制备溶胶
分散法：金属无机盐在 室温下于过量 水中水解，形 成溶胶
M n n2 H O M ( O )n H n H
溶胶的特点：
（1）溶胶不是物质而是一种“状态”
（2）溶胶与溶液的相似之处
溶质+溶剂→溶液
分散相+分散介质→溶胶(分散系)
5
（3）溶胶的稳定性 亲液溶胶
分散相和分散介质之间有很好的亲和能力； 没有明显的相界面； 热力学稳定体系 憎液溶胶 分散相与分散介质之间亲和力较弱； 有明显的相界面； 热力学不稳定体系
其中：A－为胶溶过程中所加入的酸根离子。
24
3.2 醇-金属醇盐体系溶胶-凝胶反应 醇-金属醇盐体系的水解反应
Mn (H O x 2 O R M )x O (n O - x R R x HO )
(R )3 S O O i H R 1 O 8 H (R )3 S O 1 i O 8 R HO