样品制备(溶胶-凝胶法)(2)

散介质均为固相的固溶胶等。在此主要讨论以水或有机溶剂为介质而形成的溶胶及其凝胶。研究表明，在电解质胶体溶液中，溶胶粒子是带电荷的，这是胶粒从介质中选择性地吸附某种粒子的结果。

溶胶粒子的表面自由能很高，从热力学的观点来看，这样的体系是极不稳定的，易受外界干扰（如加热、投入电解质）或搁置而发生聚沉。但实际的胶体溶胶，有时又相当稳定，可以在很长时间内不发生聚沉。究竟是什么因素在起稳定作用呢？概括起来可以有两方面的原因：

第一， 溶胶的动力学稳定性。由于重力场的作用，胶粒会发生聚沉作用；但粒子的

热运动，又促使粒子从高浓度向低浓度扩散。当粒子足够小时，扩散作用足以抵抗重力的作用而形成具有一定浓度分布的沉降平衡。

第二， 胶粒的荷电性。在胶粒之间同时存在着范式吸引力fA和双电层的静电斥力fR，

总的作用力f总=fA+fR，只要fR的绝对值大于fA绝对值，胶体就可保持稳定。因而控制胶粒的运动（温度）和电性（电解质种类和浓度）就可控制胶体溶液的稳定和沉降。而这些为控制溶胶-凝胶过程提供了依据。

2.溶胶-凝胶的基本过程

溶胶-凝胶的形成过程如下图所示：

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：首先是目前所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；其次通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或儿几周：第三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。

金属醇盐水解

1.溶胶制备

在溶胶-凝胶中，最终产物的结构在溶胶中已初步形成，而且后续工艺与溶胶的性质密切相关，因此要求溶胶中的 “粒子”有满足产物性能要求的结构和尺度，分布均匀，溶胶外观透明澄清，具有适宜的流变性质及其它理化性质，并能稳定存放足够长时间。控制溶胶的制备工艺，即控制醇盐水解和缩聚的条件，得到高质量的溶胶是溶胶－凝胶法最关键的一步。重要的工艺参数有加水量、催化剂、醇盐品种、溶剂种类及水解温度。

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－＋ROH

(1)加水量

溶胶有两种。一种是聚合溶胶，又称大分子溶胶、化学溶胶，这是在控制水解的条件下形成的，颗粒度一般不大于1 nm,在体系无固－液界面，属热力学体系。另一种是粒子溶胶，又称物理溶胶，是在充分水解情况下生成的。生成的是1-5 nm的沉淀物，体系内存在固－液界面，在热力学上是不稳定的，必须加入胶溶剂使离子表面荷电，形成双电层才能稳定存在。这种作用就叫溶胶化作用。常见的胶溶剂有盐酸（HCl）、硝酸（HNO3）、乙醇（C2H5OH）、氨水（NH4OH）等。

（2）催化剂和溶胶的酸度