溶胶凝胶法采用的原料
溶胶凝胶法采用的原料
酯化பைடு நூலகம்应
将醇与酸反应生成酯，再与金属氧化物或盐 类反应生成金属醇盐。
直接合成法
将金属氧化物或盐类与醇类直接反应生成金 属醇盐。
应用领域
金属醇盐在溶胶凝胶法制备无机材料、高分 子材料、陶瓷材料等领域广泛应用。
应用领域
01
02
03
无机材料
利用金属醇盐作为前驱体， 通过溶胶凝胶法制备无机 材料，如玻璃、陶瓷、复 合材料等。
优化反应条件
通过调整温度、压力、pH值等反应条件，提高原料的转化效率。
催化剂与引发剂
使用催化剂与引发剂加速化学反应，促进原料向目标产物的转化。
表面活性剂
利用表面活性剂改善溶胶的稳定性，提高凝胶的形成速度和产物的 质量。
环境友好型原料的选择与开发
无毒或低毒原料
优先选择无毒或低毒的原料，减少对环境的污染和危害。
高分子材料
金属醇盐可以作为高分子 材料的交联剂、催化剂等， 提高材料的性能和稳定性。
陶瓷材料
利用金属醇盐制备高性能 陶瓷材料，如高温陶瓷、 功能陶瓷等。
03 有机溶剂
种类与特性
醇类
如乙醇、正丙醇等，具有较高的沸点和较低 的毒性，是常用的溶剂。
酮类
如丙酮、丁酮等，具有较低的沸点和较快的 挥发性。
酯类
应用领域
化学工业
用于有机合成、化学反应介质、萃取 分离等。
制药工业
用于药物合成、溶剂提取、药物稀释 等。
涂料工业
用于涂料稀释、颜料分散、溶剂清洗 等。
电子工业
用于清洗电子元件、稀释电路板涂料 等。
04 功能性无机盐
种类与特性
溶胶凝胶法制备SiO2工艺
溶胶凝胶法制备SiO2工艺溶胶凝胶法是一种常见的材料制备方法，具有制备过程简单、产物纯度高、粒度均匀等优点。
在溶胶凝胶法制备SiO2工艺中，通过控制反应条件，可以制备出具有特定形貌、结构和性能的SiO2材料。
本文主要探讨了溶胶凝胶法制备SiO2工艺的过程、实验结果及其应用，分析了该方法的优势和不足，并提出了改进意见。
实验主要采用了硅酸酯、氢氧化钠、去离子水等原料，将硅酸酯和氢氧化钠按一定比例混合，搅拌均匀后加入去离子水，继续搅拌得到溶胶。
将溶胶在一定温度下干燥，得到干凝胶。
将干凝胶在高温下焙烧，去除有机物，得到最终的SiO2产物。
实验过程中，通过控制溶胶时间、固化温度等因素，制备了一系列不同工艺参数的SiO2样品。
采用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）等手段对样品的物相、形貌和粒度进行了表征。
实验结果表明，通过控制溶胶时间、固化温度等因素，可以制备出具有不同形貌和粒度的SiO2材料。
当溶胶时间为60分钟、固化温度为400℃时，制备出的SiO2样品具有较高的纯度和良好的分散性。
XRD结果表明，制备的SiO2为结晶度良好的α-石英相。
SEM表征显示，该条件下制备的SiO2粒子呈球形，粒度分布较窄。
通过控制原料浓度、水解速率等因素，可以进一步调节SiO2的粒度和形貌。
通过溶胶凝胶法制备SiO2工艺，可以获得具有高纯度和良好分散性的SiO2材料。
实验结果表明，溶胶时间和固化温度是影响SiO2形貌和粒度的关键因素。
当溶胶时间为60分钟、固化温度为400℃时，制备出的SiO2样品具有最佳的性能。
然而，在实验过程中也发现了一些不足之处，如制备过程中有机物的挥发和残留可能会影响产品的纯度和性能。
为了提高制备效率和产品质量，建议在后续研究中可以对原料浓度、水解速率等参数进行更加深入的探讨，并尝试通过优化工艺流程和添加剂的使用来改善产品的性能。
还可以进一步拓展溶胶凝胶法制备SiO2工艺的应用领域。
由于SiO2具有优异的物理化学性能，如高透明度、低热膨胀系数等，可以将其应用于光学、电子、催化剂等领域。
溶胶-凝胶法采用的原料
（3）1970年一现在，金属醇盐的制备及材料应用阶段
这一阶段，金属醇盐迈入了材料应用的新阶段
早在1846年Ebelman就发现，Si(OEt)4与水混合，生成 了一种整块的产品，由此得到了“SiO2玻璃”。
1969年，H.Shcoder提出不仅有SiO2的涂层，还有Al， Zn， Ti， Sn， Pb，Ta， Cr， Fe， Ni和Co等氧化物的涂层 也极易获得。
合
物
金属有机酸盐
醋酸盐（M(C2H3O2)n）〔Zn(CH3COO)2、 Ba(HCOO)2〕、草酸盐〔M(C2O4)n-2〕
金属醇盐的替代物
水 溶剂
H2O
水解反应的必须原料
甲醇、乙醇、丙醇、丁醇（溶胶-凝胶主要 的溶剂）、乙二醇、环氧乙烷、三乙醇胺、 二甲苯等（溶解金属化合物）
溶解金属化合物，调 制均匀溶胶
伴随着催化剂的研制，几乎对所有金属的醇盐都进行 了不同程度的研究。表
金属醇盐化学真正始于1950年前后，50、60年代醇盐 作为催化剂或制备催化剂的原料而受到广泛关注。
1948年D. W Young和H.B.Kellong用AlC13和乙氧基钛 为催化剂，研究了异丁烯的低温聚合反应，开拓了金属醇 盐作为催化剂应用的新领域。
Al
Al(OCH3)3， Al(OC2H5)3(s)， Al(i-OC3H7)3(s)， Al(i-OC4H9)3(s)
（二）金属醇盐的合成
1.醇盐化学的发展概况 （1）1846－1950年，醇盐制备初期阶段
是一个发展缓慢的阶段，仅合成出了Si， B， Al， Ti， P， As， Sb、碱金属等12种元素的醇盐 19世纪，金属铝醇盐的制备是一个重要的发现 （2）1950－1970年，金属醇盐的全面制备和催化应用阶段 从单纯的尝试走向了系统的研究。
溶胶-凝胶法采用的原料
金属醇盐化学真正始于1950年前后，50、60年代醇盐 作为催化剂或制备催化剂的原料而受到广泛关注。
1948年D. W Young和H.B.Kellong用AlC13和乙氧基钛 为催化剂，研究了异丁烯的低温聚合反应，开拓了金属醇 盐作为催化剂应用的新领域。
Ni、Sb、Al、Th、Ta、Fe、V、Ce、U、Pu等金属的醇盐 和Si的醇盐。
ThCl 4 4NaOR Th(OR) 4 4NaCl
2ZrCl
4
9NaOP
i r
NaZr2
(OP
i r
)
9
8NaCl
MCl n nNaOR 苯 M(OR) n nNaCl
BuSnCl3 3NaOR 苯BuSn(OR)3 3NaCl
(R 3Sn)2 O R' OCOOR' 2R 3SnOR' CO 2
BuSn－O－SnBu EtOH 或PriOH 不反应
BuSn －O－SnBu
2B
n u
OH
2BuSn
－OB
n u
H2O
2R 2SnO R' OCOOR' ' R 2 (R' O)SnOSn(OR '')R 2 CO 2
SiCl 4 4C 2H5OH Si(OC 2H5 )4 4HCl
TiCl 4 3C 2H5OH TiCl 2 (OC 2H5 )2 • C2H5OH 2HCl
2ZrCl 4 5C 2H5OH ZrCl 2 (OC 2H5 ) • C2H5OH ZrCl 3 (OC 2H5 ) • C2H5OH 3HCl
（3）金属卤化物与醇和碱金属醇盐反应
溶胶——凝胶法制备
溶胶—凝胶法制备Y3Al5O12:Ce荧光粉一、实验目的1. 了解溶胶—凝胶法制备粉体的基本原理。
2. 掌握Y3Al5O12:Ce荧光粉等发光材料的合成方法。
3. 掌握材料的物相组成、显微结构、发光性能等表征技术。
二、实验原理自1994年日本科学家Shuji Nakamura在GaN基材料上研制出第一只蓝光LED以来, 半导体照明技术逐渐成为业界的研究热点。
因具有省电、体积小、发热量低、寿命长、响应快、抗震耐冲、可回收、无污染、可平面封装、易开发成轻薄短小产品等优点，使白光LED 正成为新一代照明光源的发展方向。
目前，白光LED工艺主要是采用蓝光LED芯片来激发黄色荧光粉YAG:Ce，其产品已获得工业化应用。
现行制备YAG:Ce的主要方法是固相烧结法，但其合成温度高、荧光粉形状不规则、粒径偏大、粉碎导致光损失，严重影响其使用性能。
溶胶—凝胶（Sol—gel）法就是将金属氧化物或氢氧化物的浓溶液变为凝胶，再将凝胶干燥后进行煅烧，然后制得氧化物超微细粉的方法。
这种方法适用于能形成溶胶且溶胶可以转化为凝胶的氧化物系。
溶胶—凝胶法作为当前制备各种功能材料和结构材料的重要方法，其反应物以分子（离子）形式相互溶合，可以直接进行分子量级的化学反应，从而大大降低了材料的合成温度，这就为较低温合成粉体材料提供了可行途径。
三、实验原料、仪器设备1. 实验原料：氧化钇，九水硝酸铝，六水硝酸铈，柠檬酸，硝酸，氨水，去离子水，无水乙醇2. 仪器设备：磁力搅拌器，烧杯，量筒，研钵，药勺，陶瓷坩埚，pH计，电子天平，胶头滴管，毛刷，水浴箱，离心机，真空干燥箱，马弗炉，X-射线衍射仪四、实验步骤1. 称取0.559g氧化钇粉体，倒入100mL烧杯中，再加入适量的硝酸，在磁力加热搅拌器上溶解氧化钇，控制处理温度为50℃，搅拌至获得无色透明的溶液。
2. 将步骤1得到的硝酸钇溶液加热至干燥状态，使多余的硝酸挥发掉。
3. 称量3.145g九水硝酸铝、0.0364g六水硝酸铈、2.819g柠檬酸，将这些试剂倒入步骤1的烧杯中。
溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜
溶胶—凝胶法制备ZnO薄膜一、本文概述本文旨在探讨溶胶-凝胶法制备ZnO薄膜的工艺及其相关特性。
ZnO薄膜作为一种重要的半导体材料，在光电子器件、太阳能电池、气体传感器等领域具有广泛的应用前景。
溶胶-凝胶法作为一种制备薄膜材料的常用技术，具有工艺简单、成本低廉、易于控制等优点，因此受到广大研究者的关注。
本文将首先介绍溶胶-凝胶法的基本原理和步骤，然后详细阐述制备ZnO薄膜的具体过程，包括前驱体溶液的配制、溶胶的制备、凝胶的形成以及薄膜的成膜过程。
接着，我们将讨论制备过程中可能影响薄膜性能的因素，如溶胶浓度、凝胶温度、退火条件等，并通过实验验证这些因素的影响。
我们将对制备得到的ZnO薄膜进行表征和分析，包括其结构、形貌、光学性能和电学性能等方面。
通过对比不同制备条件下的薄膜性能，优化制备工艺参数，为实际应用提供指导。
本文的研究结果有望为ZnO薄膜的制备和应用提供有益的参考。
二、溶胶—凝胶法原理溶胶-凝胶法（Sol-Gel）是一种湿化学方法，用于制备无机材料，特别是氧化物薄膜。
该方法基于溶液中的化学反应，通过控制溶液中的化学反应条件，使溶液中的物质发生水解和缩聚反应，从而生成稳定的溶胶。
随着反应的进行，溶胶中的颗粒逐渐增大并相互连接，形成三维网络结构，最终转化为凝胶。
在制备ZnO薄膜的溶胶-凝胶法中，通常使用的起始原料是锌的盐类（如硝酸锌、醋酸锌等）和溶剂（如乙醇、水等）。
锌盐在溶剂中溶解形成溶液，然后通过加入水或其他催化剂引发水解反应。
水解产生的锌离子与溶剂中的羟基（OH-）结合，形成氢氧化锌（Zn(OH)2）的胶体颗粒。
这些胶体颗粒在溶液中均匀分散，形成溶胶。
随着反应的进行，溶胶中的氢氧化锌颗粒逐渐长大，并通过缩聚反应相互连接，形成三维的凝胶网络。
凝胶网络中的空隙被溶剂填充，形成湿凝胶。
湿凝胶经过陈化、干燥和热处理等步骤，去除溶剂和有机残留物，同时促进ZnO晶体的生长和结晶，最终得到ZnO薄膜。
溶胶-凝胶合成法
Y
Y(OC2H5)3
B
Ca
(OC2H5)2
溶胶-凝胶合成法
无机盐的水解-缩聚反应
水解反应：Mn+ ＋nH2O → M(OH)n ＋ nH+ 凝胶化 脱水凝胶化 碱性凝胶化 胶粒脱水，扩散层中电解质浓 度增加，凝胶化能垒逐渐减小
xM(H2O)nz+ + yOH- + aA- → MxOu(OH)y-2u(H2O)nAa(xz-y-a)+ + (xn+u-n)H2O A- —— 凝胶过程中所加入的酸根离子。 当x=1时，形成单核聚合物； 在x>1时，形成多核聚合物。 Mz+可通过O2-、OH-、H2或A-与配体桥联。
气凝胶块体
气凝胶隔热
溶胶－凝胶
＋
模板工艺
多孔材料
胶质晶态模板
结构性多孔复制品
3.纤维材料
溶胶-凝胶合成法
前驱体经反应形成类线性无机聚合物或络合物，当粘度达10~100Pa· s时，
通过挑丝或漏丝法可制成凝胶纤维，热处理后可转变成相应玻璃或陶瓷纤维 克服了传统直接熔融纺丝法因特种陶瓷难熔融而无法制成纤的困难，工艺 可以在低温下进行，纤维陶瓷均匀性好、纯度高
溶胶-凝胶合成法 （3）凝胶与溶胶是两种互有联系的状态。 1)乳胶冷却后即可得到凝胶；加电解质于悬胶后也可得到凝胶。 2)凝胶可能具有触变性：在振摇、超声波或其他能产生内应力 的特定作用下，凝胶能转化为溶胶。 3)溶胶向凝胶转变过程主要是溶胶粒子聚集成键的聚合过程。 4)上述作用一经停止，则凝胶又恢复原状，凝胶和溶胶也可共 存，组成一更为复杂的胶态体系。
5)溶胶是否向凝胶发展，决定于胶粒间的作用力是否能够克服 凝聚时的势垒作用。因此，增加胶粒的电荷量，利用位阻效应 和利用溶剂化效应等，都可以使溶胶更稳定，凝胶更困难；反 之，则更容易形成凝胶。
溶胶凝胶法
祝徐老师： 祝徐老师：
身体健康，事事顺心！ 身体健康，事事顺心！
O(∩_∩)O
• 目前，溶胶凝胶法的一般化学理论已基本建 目前， 但是， 立，但是，对于其分子间反应的热力学和动 力学理论体系不很完善， 力学理论体系不很完善，对多组分凝胶体系 的系统理论研究也进行的很少。 的系统理论研究也进行的很少。 • 用凝胶溶胶法制陶瓷材料是以广阔的研究领 它在控制材料的纯度、 域，它在控制材料的纯度、化学均匀性方面 有相当大的潜力可以挖掘。 有相当大的潜力可以挖掘。
溶胶－ 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） 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） 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） （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、 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） 拉曼光谱仪） • 溶胶、凝胶粒子中的结构（GC－MS） 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 固态物体的核磁共振谱测定M
溶胶凝胶法 及其在陶瓷材料中的应用
200921501435 应091-4
基本原理
将原料， 将原料，一般为金属无机盐或金属醇盐溶 于溶剂(水或醇 中形成均匀溶液， 水或醇)中形成均匀溶液 于溶剂 水或醇 中形成均匀溶液，溶质与 溶剂发生水解(或醇解 一聚合反应， 或醇解)一聚合反应 溶剂发生水解 或醇解 一聚合反应，生成的 聚合体纳米级粒子形成均匀的溶胶， 聚合体纳米级粒子形成均匀的溶胶，经过 干燥或脱水转化成凝胶， 干燥或脱水转化成凝胶，再经过热处理得 到所需要的超细粉体、纤维或薄膜。 到所需要的超细粉体、纤维或薄膜。
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主要内容
• 3.1 溶胶-凝胶法采用的原料分类及作用 • 3.2 溶胶-凝胶法采用的金属醇盐 • 3.2.1 金属醇盐的种类 • 3.2.2 金属醇盐的合成 • 3.2.3 金属醇盐的特性
3.1溶胶-凝胶法采用的原料分类及作用
• 表3-1 溶胶-凝胶法的原料种类及作用
伯醇>仲醇>叔醇。
4)金属铍、镁和铝在不使用用催化剂的情况下，不 能直接与醇反应。但若在反应体系中添加微量的I2 或HgCl2，它们就能与醇起反应生成醇盐。
这种方法被成功应用于镧系和硅的醇盐的合成。
5)在使用直接法合成醇盐的过程，有一个共同特点， 反应速度随产物的不断增加而降低，这是由于醇的 浓度变稀和酸性下降所致。
M
nROH
M(RO)n
n 2
H2
式中M为金属元素，R是烷基
1)只有非常活泼的金属，才能以这种方式与醇反应，反
应条件也比金属从酸中置换出氢要苛刻。
2)这些金属一般包括碱金属和除Mg、Be外的碱土金属。
3)此种反应的可能性随金属的电正性增加而增大。 醇对反应速度也产生影响。
对于同一种金属原子，它能与醇反应的活性依次是：
1971年，H.Dislich用溶胶-凝胶法从金属醇盐为前驱体开拓性 地获得陶瓷氧化物材料。
目前，这一方法用于合成多组分功能陶瓷氧化物涂层，超细 粉体材料，玻璃材料，光导纤维，玻璃旋涂材料、浸涂材料 等，金属醇盐得到了广泛的应用。
3.2.2.2 单金属醇盐合成方法
(1)金属与醇直接反应或催化下的直接反应
Al
Al(OCH3)3， Al(OC2H5)3(s)， Al(i-OC3H7)3(s)， Al(i-OC4H9)3(s)
3.2.2金属醇盐的合成
1.醇盐化学的发展概况
(1)1846－1950年，醇盐制备初期阶段 仅合成出了Si， B， Al， Ti， P， As， Sb、碱金属
等12种元素的醇盐 , 铝醇盐的制备尤为重要。
金属化合物的水解催 化或螯合作用Fra bibliotek添加剂
水解控制剂
分散剂
干燥开裂控 制剂
乙酰丙酮等
聚乙烯醇（PVA）等
乙二酸(草酸)、甲酰胺、二甲基甲酰胺、 二氧杂环乙烷等
控制水解速度 溶胶分散作用
防止凝胶开裂
3.2溶胶-凝胶法采用的金属醇盐 3.2.1金属醇盐的种类
表3-2 溶胶-凝胶原料的金属醇盐种类
表3-2 溶胶-凝胶原料的金属醇盐种类
金属醇盐的替代物
水 溶剂
H2O
水解反应的必须原料
甲醇、乙醇、丙醇、丁醇（溶胶-凝胶主要 的溶剂）、乙二醇、环氧乙烷、三乙醇胺、 二甲苯等（溶解金属化合物）
溶解金属化合物，调 制均匀溶胶
催化剂及螯合剂
盐酸、Ｐ-甲苯磺酸、乙酸、琥珀酸、马来 酸、硼酸、硫酸、硝酸、醋酸；氨水、氢
氧化钠；EDTA和柠檬酸等
双金 属醇
盐
La-Al Mg-Al Ni-Al Zr-Al Ba-Zr
La[Al(iso-OC3H7)4]3 Mg[Al(iso-OC3H7)4]2，Mg[Al(sec-OC4H9)4]2 Ni[Al(iso-OC3H7)4]2 (C3H7O)2Zr[Al(OC3H7)4]2 Ba[Zr(OC2H5)9]2
3)金属氧化物与二烷基碳酸酯的反应也能生成金属醇 盐
例如:
(R 3Sn)2 O R' OCOOR' 2R 3SnOR' CO 2
BuSn－O－SnBu EtOH 或PriOH 不反应
BuSn －O－SnBu
(2)金属氧化物或氢氧化物与醇反应
1)这种反应过程可表示为：
M(OH) n + nH2O M(OR) n + nH2O
或 MOn 2nROH M(OR) 2n nH2O
2)这项技术也被成功地应用于B， Si， Ge， Sn， Pb， As， Se， V和Hg的金属醇盐的合成上，反应 进行的程度，在某种程度上取决于金属氯化物和溶 剂的性质及醇的沸点。
(2)1950－1970年，金属醇盐的全面制备和催化应用 阶段
从单纯的尝试走向了系统的研究，醇盐作为催化剂或
制备催化剂的原料而受到广泛关注 。
(3)1970年－现在，金属醇盐的制备及材料应用阶段
1846年Ebelman发现Si(OEt)4与水混合，生成了一种整块的产 品，由此得到了“SiO2玻璃”。 1969年，H.Shcoder提出 Al， Zn， Ti， Sn， Pb，Ta， Cr， Fe， Ni和Co等氧化物的涂层也极易获得
金属元素
表3-3 常用的金属醇盐 金属醇盐
Si
Si(OCH3)4(l)， Si(OC2H5)4(l)， Si(i-OC3H7)4(l)， Si(i-OC4H9)4
Ti
Ti(OCH3)4(s)， Ti(OC2H5)4(l)， Ti(i-OC3H7)4(l)， Ti(i-OC4H9)4(l)
Zr
Zr(OCH3)4(s)， Zr(OC2H5)4(s)， Zr(i-OC3H7)4(s)， Zr(i-OC4H9)4(s)
原料种类
实例
作用
溶胶-凝胶法最合适
金属醇盐 金
M(OR)n 〔Si(OC2H5)4、PO(OC2H5)3〕
的原料，提供金属元 素
属 化 金属乙酰丙酮盐
Zn(COCH2COCH3)2
金属醇盐的替代物
合
物
金属有机酸盐
醋酸盐（M(C2H3O2)n）〔Zn(CH3COO)2、 Ba(HCOO)2〕、草酸盐〔M(C2O4)n-2〕
金属 醇盐
单金 属醇
盐
族
ІA ІB ⅡA ⅡB ⅢA ⅢB ⅣA ⅣB ⅤA ⅤB Ⅵ 稀土
金属
醇盐实例
Li，Na
Cu Ca，Sr，Ba
Zn B，Al，Ca
Y Si，Ge
Pb P，Sb V，Ta
W La，Na
LiOCH3(s)，NaOCH3(s) Cu(OCH3)2(s) Ca(OCH3)2(s)，Sr(OC2H5)2(s)，Ba(OC2H5)2(s) Zn(OC2H5)2(s) B(OCH3)3(s)，Al(OC3H7)3(s)，Ga(OC2H5)3(s) Y(OC4H9)3 Si(OC2H5)4(l)，Ge(OC2H5)4(l) Pb(OC4H9)4(l) P(OCH3)3(l)， Sb(OC2H5)3(l) VO(OC2H5)3(l)，Ta(OC3H7)5(l) W(OC2H5)6(s) La(OC3H7)(s)，Nb(OC2H5)3(s)