二氧化硅的制備

1、納米二氧化硅顆粒的制備與表征、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、 學(xué)習(xí)溶膠一凝膠法制備納米SiO2顆粒。2、 利用粒度分析儀對(duì)SiO2顆粒物相分析和粒徑測(cè)定。3、 通過(guò)紅外光譜儀對(duì)納米SiO2顆粒進(jìn)行表征。4、 通過(guò)熱重分析儀測(cè)試煨燒溫度。、實(shí)驗(yàn)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(tuán)，親水性強(qiáng)，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(tuán)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(jìn)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(yīng)的氧化物。第一步水解：硅烷的水解過(guò)程-Si-OR-H2OSi-OHROH第二步縮合：硅烷的縮聚過(guò)程-SiOHHO-SiSi-O-Si-H2O總反應(yīng)：2SiORH2O一SiOSi2ROH硅烷的濃

3、度，硅烷溶液的pH值，溶劑成分，水解時(shí)間與溫度均會(huì)影響到硅烷的水解縮聚過(guò)程。其中，pH值能影響硅烷溶液的水解縮聚反應(yīng)速率。一般認(rèn)為酸性和堿性條件下均有利于硅烷的水解反應(yīng)，而堿性條件下更能促進(jìn)縮聚反應(yīng)的進(jìn)行。因此，選擇合理的pH值能控制硅烷的水解與縮合反應(yīng)速率。水含量除了影響硅烷的水解與縮聚反應(yīng)速率外，還影響其溶解性；而醇溶劑對(duì)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(hào)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(shí)驗(yàn)步驟Stober法制備納米SiO2顆粒取75mL無(wú)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(shí)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(cè)試先將大燒杯中裝滿水，對(duì)大燒杯進(jìn)行清洗，倒去水。向大燒杯中裝入部分水，測(cè)試背景。將小燒杯中預(yù)先攪拌好的二

5、氧化硅濁液倒入大燒杯中，進(jìn)行充分混合均勻，對(duì)其進(jìn)行粒徑分析。SiO2顆粒紅外光譜測(cè)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(cè)其紅外光譜圖。SiO2顆粒的WC熱分析測(cè)試稱取未煨燒前的二氧化硅粉末，用WC曲分析系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行測(cè)試。設(shè)定升溫速率為4.59C/min,測(cè)定時(shí)間為1小時(shí)。五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析二氧化硅顆粒產(chǎn)量實(shí)際產(chǎn)量：2.03g理論產(chǎn)量：10mLX0.933gmL1/208.33gmol-1乂60.08g=2

6、.69g實(shí)際產(chǎn)率：75.45%SiO2顆粒的粒徑分析由粒徑分布譜圖（見(jiàn)附圖1）可知，實(shí)驗(yàn)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(dá)到納米尺度，僅在微米尺度。SiO2顆粒紅外光譜測(cè)試從Scifinder上查得的二氧化硅的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖如下。4000350-030002500200015001000500WAVENUMBERcm-1圖1SiO2紅外標(biāo)準(zhǔn)光譜圖從圖中可以看出，1095cm-1強(qiáng)而寬的吸收帶為Si-O-Si反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，3450cm-1處峰是結(jié)合水-OH反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1638cm-1處附近為水的H-O-H彎曲振動(dòng)峰，800cm1、4

7、66cm1處的峰屬于Si-OH的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)峰。從實(shí)驗(yàn)制備的二氧化硅粉末（煨燒后）的紅外光譜圖（見(jiàn)附圖2）中可以看出，1106cm1強(qiáng)而寬的吸收峰為Si-O-Si反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，3441cm-1處為結(jié)合水-OH反對(duì)稱伸縮振動(dòng)峰，1638cm-1處為水的H-O-H彎曲振動(dòng)峰，800cm1、563cm-1處的峰為Si-OH的對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)峰。實(shí)驗(yàn)制備測(cè)得的紅外光譜圖與標(biāo)準(zhǔn)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(lán)移，但基本與標(biāo)準(zhǔn)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(shí)驗(yàn)結(jié)論與討論實(shí)驗(yàn)成功地通過(guò)St?ber法溶膠-凝膠法制備合成了SiQ顆粒，產(chǎn)率為75.45%。通過(guò)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(guò)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(méi)有達(dá)到納米尺度；通過(guò)WCT熱分析方法對(duì)未煨燒前的SiO2進(jìn)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(wú)法將水除去。對(duì)于實(shí)驗(yàn)未成功制得納米級(jí)的SiO2顆粒的原因，分析可能為：凝膠條件的選擇并未達(dá)到最佳，或者是煨燒溫度不

9、合適。因此，為實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的二氧化硅顆粒，需進(jìn)一步探究實(shí)驗(yàn)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(duì)其進(jìn)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(shí)，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(yīng)較低。2、如何減少二氧化硅顆粒的團(tuán)聚？控制好硅烷的濃度，溶液的PH,溫度等實(shí)驗(yàn)條件?；蛘哂糜袡C(jī)物洗滌，用表面張力小的有機(jī)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(xì)管力，使顆粒不再團(tuán)聚。也可加入分散劑。常用的分散劑類型有無(wú)機(jī)電解質(zhì)、有機(jī)高聚物、表面活性劑等。3、團(tuán)聚與凝膠的區(qū)別。團(tuán)聚會(huì)絮凝沉淀，是因?yàn)榉肿娱g的范德

10、華力、庫(kù)侖力等引起的，產(chǎn)生不規(guī)則的沉淀，里面不會(huì)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(jī)械化學(xué)改性、外膜層改性、局部活性改性、高能量表面改性等。5、請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)制備納米二氧化鈦的實(shí)驗(yàn)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(yīng)介質(zhì)。然后將17mL的前驅(qū)體TBT與4mL乙醇混合，作為反應(yīng)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(yīng)24h,將得到的懸濁液進(jìn)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(shí)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(yīng)用前景。當(dāng)介電系數(shù)的變化足夠大且變化周期與光波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，光波的色散關(guān)系會(huì)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