二氧化硅的制備

1、納米二氧化硅顆粒的制備與表征、實驗目的1、 學習溶膠一凝膠法制備納米SiO2顆粒。2、 利用粒度分析儀對SiO2顆粒物相分析和粒徑測定。3、 通過紅外光譜儀對納米SiO2顆粒進行表征。4、 通過熱重分析儀測試煨燒溫度。、實驗原理納米SiO2具有三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，擁有龐大的比表面積，表面上存在著大量的羥基基團，親水性強，眾多的顆粒相互聯(lián)結(jié)成鏈狀，鏈狀結(jié)構(gòu)彼此又以氫鍵相互作用，形成由聚集體組成的立體網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。4圖11*/廣1H中5OH-SI-OH+0H-£圖2納米二春納米二氧化硅三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)O£<>ooooot,iiKnSO碓/內(nèi)n11論%fl54產(chǎn)/Z/、/I<

2、>oOOOG中干HO-Si-OHOa-OH11»干y,甲ii-OH+5Si(OH).*QHSi-OSi-0Bi-O-Si-OHI11hohaoon11HO3-8HD&OHOHOH二氧化硅表面上存在著大量的羥基基團溶膠凝膠法（Sol-Gel法）：利用活性較高的前驅(qū)體作為原料，在含水的溶液中水解，生成溶膠，然后溶膠顆粒間進一步發(fā)生相互作用，與溶劑共同生成凝膠，干燥后、煨燒獲得前驅(qū)體相應的氧化物。第一步水解：硅烷的水解過程-Si-OR-H2OSi-OHROH第二步縮合：硅烷的縮聚過程-SiOHHO-SiSi-O-Si-H2O總反應：2SiORH2O一SiOSi2ROH硅烷的濃

3、度，硅烷溶液的pH值，溶劑成分，水解時間與溫度均會影響到硅烷的水解縮聚過程。其中，pH值能影響硅烷溶液的水解縮聚反應速率。一般認為酸性和堿性條件下均有利于硅烷的水解反應，而堿性條件下更能促進縮聚反應的進行。因此，選擇合理的pH值能控制硅烷的水解與縮合反應速率。水含量除了影響硅烷的水解與縮聚反應速率外，還影響其溶解性；而醇溶劑對硅烷分子起到助溶與分散的作用，還起到調(diào)節(jié)水解速率的作用。三、儀器及試劑儀器常規(guī)玻璃儀器，不同型號移液槍，地竭，研缽，水浴鍋，磁子，磁力攪拌器，烘箱，馬弗爐，傅里葉紅外光譜儀，差熱-熱重分析儀，粒度分析儀；試劑乙醇（AR）,去離子水，TEOS1：1氨水，濃氨水、濃鹽酸，精密

4、pH試紙。四、實驗步驟Stober法制備納米SiO2顆粒取75mL無水乙醇于燒杯中，加入25mL去離子水，攪拌使其均勻。向其中加入10mLTEOS同時攪拌。用1:1氨水溶液調(diào)節(jié)硅烷溶液的pH值至7,攪拌10min。將上述硅烷溶液放入水浴鍋中，水溫35C,陳化1h。向溶液中逐滴加入濃氨水，使其剛好產(chǎn)生果凍狀凝膠為止。靜置，至溶液全部轉(zhuǎn)化為凝膠。將所得的凝膠搗碎放入烘箱中，烘箱溫度為100C,烘干，即得SiO2前軀體粉末。將粉末碾碎后在300c煨燒20min即得SiO2粉末。SiO2顆粒的粒徑測試先將大燒杯中裝滿水，對大燒杯進行清洗，倒去水。向大燒杯中裝入部分水，測試背景。將小燒杯中預先攪拌好的二

5、氧化硅濁液倒入大燒杯中，進行充分混合均勻，對其進行粒徑分析。SiO2顆粒紅外光譜測試將微量的納米SiO2顆粒樣品和約80倍質(zhì)量的KBr加入到研缽中，在紅外燈下研磨至粉狀。將粉末小心的加到帶孔的小紙片的鐵柱上，在20MPa勺壓力下壓片約1分鐘，得到透明的薄膜。用鐵片和磁鐵固定住薄膜紙片后，放入傅里葉紅外光譜儀中測其紅外光譜圖。SiO2顆粒的WC熱分析測試稱取未煨燒前的二氧化硅粉末，用WC曲分析系統(tǒng)對其進行測試。設定升溫速率為4.59C/min,測定時間為1小時。五、實驗數(shù)據(jù)與分析二氧化硅顆粒產(chǎn)量實際產(chǎn)量：2.03g理論產(chǎn)量：10mLX0.933gmL1/208.33gmol-1乂60.08g=2

6、.69g實際產(chǎn)率：75.45%SiO2顆粒的粒徑分析由粒徑分布譜圖（見附圖1）可知，實驗制得的二氧化硅主要有兩種粒徑的顆粒，分別約為10mffi90m的SiO2顆粒，粒徑均未達到納米尺度，僅在微米尺度。SiO2顆粒紅外光譜測試從Scifinder上查得的二氧化硅的標準紅外光譜圖如下。4000350-030002500200015001000500WAVENUMBERcm-1圖1SiO2紅外標準光譜圖從圖中可以看出，1095cm-1強而寬的吸收帶為Si-O-Si反對稱伸縮振動峰，3450cm-1處峰是結(jié)合水-OH反對稱伸縮振動峰，1638cm-1處附近為水的H-O-H彎曲振動峰，800cm1、4

7、66cm1處的峰屬于Si-OH的對稱伸縮振動和彎曲振動峰。從實驗制備的二氧化硅粉末（煨燒后）的紅外光譜圖（見附圖2）中可以看出，1106cm1強而寬的吸收峰為Si-O-Si反對稱伸縮振動峰，3441cm-1處為結(jié)合水-OH反對稱伸縮振動峰，1638cm-1處為水的H-O-H彎曲振動峰，800cm1、563cm-1處的峰為Si-OH的對稱伸縮振動和彎曲振動峰。實驗制備測得的紅外光譜圖與標準的二氧化硅光譜圖比較發(fā)現(xiàn)，峰位置發(fā)生了較小的藍移，但基本與標準譜圖相同。SiO2顆粒的WC珠分析由WCT熱分析曲線（附圖3）可知，初始溫度為Ti=16.6C,初始質(zhì)量為m=14.4293g。完全失水后的質(zhì)量為m

8、=2.0146mg減少的質(zhì)量占85.03%,即失去的含水量為85.03%。六、實驗結(jié)論與討論實驗成功地通過St?ber法溶膠-凝膠法制備合成了SiQ顆粒，產(chǎn)率為75.45%。通過傅里葉紅外光譜分析確定了制備得到的二氧化硅顆粒的組成；通過粒徑分析儀確定了煨燒后二氧化硅顆粒的粒徑，發(fā)現(xiàn)大部分顆粒粒徑分布在1090Mm的粒徑范圍內(nèi)，沒有達到納米尺度；通過WCT熱分析方法對未煨燒前的SiO2進行分析，得出其含水量占85.03%,完全失水溫度為104.7C,所以若烘箱溫度低于104.7C則無法將水除去。對于實驗未成功制得納米級的SiO2顆粒的原因，分析可能為：凝膠條件的選擇并未達到最佳，或者是煨燒溫度不

9、合適。因此，為實現(xiàn)納米級的二氧化硅顆粒，需進一步探究實驗條件。七、思考題1、如何確定煨燒溫度？為確定二氧化硅的煨燒溫度，需對其進行WC熱分析，從而確定二氧化硅中水被煨燒除去的最低溫度。同時，煨燒溫度也取決于所需的粒徑大小。通常粒徑要求小，溫度則應較低。2、如何減少二氧化硅顆粒的團聚？控制好硅烷的濃度，溶液的PH,溫度等實驗條件?；蛘哂糜袡C物洗滌，用表面張力小的有機溶劑充分洗滌納米顆粒，可以置換顆粒表面吸附的水分，減小氫鍵的作用，減少顆粒聚結(jié)的毛細管力，使顆粒不再團聚。也可加入分散劑。常用的分散劑類型有無機電解質(zhì)、有機高聚物、表面活性劑等。3、團聚與凝膠的區(qū)別。團聚會絮凝沉淀，是因為分子間的范德

10、華力、庫侖力等引起的，產(chǎn)生不規(guī)則的沉淀，里面不會含有大量的水等物質(zhì)；凝膠是分子之間連接，形成規(guī)則的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，里面包含大量的水分子。4、納米顆粒表面修飾改性的基本類型。納米顆粒表面修飾改性主要類型有：表面覆蓋改性、機械化學改性、外膜層改性、局部活性改性、高能量表面改性等。5、請設計制備納米二氧化鈦的實驗方案。首先將28mLzK與112mL乙醇按體積比1:4混合，并加入酸或堿調(diào)節(jié)溶液pH,得到溶液作為反應介質(zhì)。然后將17mL的前驅(qū)體TBT與4mL乙醇混合，作為反應前驅(qū)體，在75c下滴加到水和乙醇的混合溶劑中，并在滴加完畢后繼續(xù)在75c下反應24h,將得到的懸濁液進行高速離心，用水和乙醇洗滌，干燥后即得到Ti02粉末。光子晶體1987年E.Yablonovitch在研究如何控制材料自發(fā)輻射性質(zhì)時提出了光子晶體的概念，指出介電函數(shù)在空間的周期性調(diào)制能夠改變材料中光子狀態(tài)的模式。光子晶體中由于光子帶隙的存在，產(chǎn)生了很多全新的物理性質(zhì)和現(xiàn)象，從而顯示出非常寬廣的發(fā)展和應用前景。當介電系數(shù)的變化足夠大且變化周期與光波長相當時，光波的色散關系會出現(xiàn)帶狀結(jié)構(gòu)，此即光子能帶結(jié)構(gòu)(PhotonicBandstructures)。這些被終止的頻率區(qū)間稱為“光子頻率禁帶"(PhotonicBandGapP