溶胶凝胶法及其应用
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[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
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（Sol）是由孤立的细
沉淀物（precipitate）由孤
小粒子或大分子组成，分散在溶 立粒子聚集体组成而区别于凝
液中的胶体体系。
胶。
当液相为水时称为水溶胶 （Hydrosol）;当为醇时称为醇溶 胶（alcosol）。
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。
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。
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（Hydrogel）、醇凝胶 （alcogel）和气凝胶（aerogel）
溶胶、凝胶和沉淀物的区分
实例
将一种或几种盐均匀分散在一种溶剂中，使它们成为透 明状的胶体，即成溶胶。
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。
b).粒子长大；
c).粒子交联成链状且形成三维网状结构。
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
凝胶化 干凝胶膜
气凝胶 干凝胶
陶瓷
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
boehmite溶胶【水软铝石（AlOOH勃母石)]
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
（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
纳米颗粒 纤维
溶胶
湿凝胶
气凝胶
多孔材料
涂层、薄膜
干凝胶
致密块体
溶胶－凝胶法应用（1）
—铝胶制备及化学机理
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
铁酸镧薄膜是一类重要的 介电薄膜材料
溶胶－凝胶法的应用
－功能材料中制备纤维
Si(OCH3)4 C2H5OH
第一部分 溶胶－凝胶法
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。
将溶胶在一定条件下（温度、酸碱度等）进行老化处理， 得到透明状的冻状物即称凝胶。
溶胶-凝胶（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ）法可精确控制各组分的含 量，使不同组分之间实现分子／原子水平上的均匀混合，而 且整个过程简单，工艺条件容易控制。 凝胶的形成与划分 凝胶形成机理通常须经过三个必要的过程：
a).单体聚合成初次粒子；
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
Baidu Nhomakorabea
HNO3 La: Fe=1:1
Fe(NO3)3.6H2O Fe(NO3)3溶液 柠檬酸
La3+、Fe3+的柠檬酸溶液
50～80℃
含La3+、Fe3+的溶胶
60～90℃
含La3+、Fe3+的凝胶
120℃
干凝胶
热处理 LaFeO3的超细粉末 10～100nm
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（PrecipitationPeptization）
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
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（Sol）是由孤立的细
沉淀物（precipitate）由孤
小粒子或大分子组成，分散在溶 立粒子聚集体组成而区别于凝
液中的胶体体系。
胶。
当液相为水时称为水溶胶 （Hydrosol）;当为醇时称为醇溶 胶（alcosol）。
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。
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。
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（Hydrogel）、醇凝胶 （alcogel）和气凝胶（aerogel）
溶胶、凝胶和沉淀物的区分
实例
将一种或几种盐均匀分散在一种溶剂中，使它们成为透 明状的胶体，即成溶胶。
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。
b).粒子长大；
c).粒子交联成链状且形成三维网状结构。
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
凝胶化 干凝胶膜
气凝胶 干凝胶
陶瓷
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
boehmite溶胶【水软铝石（AlOOH勃母石)]
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
（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
纳米颗粒 纤维
溶胶
湿凝胶
气凝胶
多孔材料
涂层、薄膜
干凝胶
致密块体
溶胶－凝胶法应用（1）
—铝胶制备及化学机理
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
铁酸镧薄膜是一类重要的 介电薄膜材料
溶胶－凝胶法的应用
－功能材料中制备纤维
Si(OCH3)4 C2H5OH
第一部分 溶胶－凝胶法
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。
将溶胶在一定条件下（温度、酸碱度等）进行老化处理， 得到透明状的冻状物即称凝胶。
溶胶-凝胶（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ）法可精确控制各组分的含 量，使不同组分之间实现分子／原子水平上的均匀混合，而 且整个过程简单，工艺条件容易控制。 凝胶的形成与划分 凝胶形成机理通常须经过三个必要的过程：
a).单体聚合成初次粒子；
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
Baidu Nhomakorabea
HNO3 La: Fe=1:1
Fe(NO3)3.6H2O Fe(NO3)3溶液 柠檬酸
La3+、Fe3+的柠檬酸溶液
50～80℃
含La3+、Fe3+的溶胶
60～90℃
含La3+、Fe3+的凝胶
120℃
干凝胶
热处理 LaFeO3的超细粉末 10～100nm
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（PrecipitationPeptization）
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。