二氧化硅的制備

1、納米二氧化硅顆粒的制備與表征一、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(jìn)行表征。4、通過熱重分析儀測試煅燒溫度。、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)。圖1納米二氧化硅三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)OH罕HO-SiOHO-&-OHOHOH甲早OH-SIOH+OH&-0H+5SitOHJi,QH別一OSiOOHOH0H0H£iO-Si-OMHOi

2、OHHOHOHOH圖2納米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、煅燒獲得前驅(qū)體相應(yīng)的氧化物。第一步水解：硅烷的水解過程-SiORH2OSiOHROH第二步縮合：硅烷的縮聚過程-SiOHHO-SSiOSiH2O總反應(yīng)：2SiORH2O一SiOSi2ROH硅烷的濃度，硅烷溶液的pH值，溶劑成分，水解時(shí)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(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)

3、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，坩堝，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pH試紙。四、實(shí)驗(yàn)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(shí)攪拌。用1:1氨水溶液調(diào)節(jié)硅烷溶液的pH

4、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300r煅燒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(jìn)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(yù)先攪拌好的二氧化硅濁液倒入大燒杯中，進(jìn)行充分混合均勻，對其進(jìn)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

5、帶孔的小紙片的鐵柱上，在20MPa的壓力下壓片約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熱分析測試稱取未煅燒前的二氧化硅粉末，用WC曲分析系統(tǒng)對其進(jìn)行測試。設(shè)定升溫速率為4.59r/min，測定時(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-1x60.08g=2.69g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10卩m和90卩m的SiO2顆粒，粒徑均未達(dá)到納米尺

6、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(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖如下。更Lll0z<lls5WWL4000350-0WAVENUMBERcm-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、466cm1處的峰屬于Si-OH的對稱伸縮振動和彎曲振動峰。從實(shí)驗(yàn)制備的二氧化硅粉末（煅燒后）的紅外光譜圖（見附圖2）中可以看出，1106cm-1強(qiáng)而寬的吸收峰為Si-O-Si反對稱伸縮振動峰，3

7、441cm-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(shí)驗(yàn)制備測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熱分析由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00=14.4293g。完全失水后的質(zhì)量為m=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

8、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煅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1090um的粒徑范圍內(nèi)，沒有達(dá)到納米尺度；通過WCT熱分析方法對未煅燒前的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則無法將水除去。對于實(shí)驗(yàn)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(dá)到最佳，或者是煅燒溫度不合適。因此，為實(shí)現(xiàn)納米級的二氧化硅顆粒，需進(jìn)一步探究實(shí)驗(yàn)條件。七、思考題1、如何確定煅燒溫度？為確定二氧化硅的煅燒溫度，需對其進(jìn)行WC熱分析，從而確定二氧化硅中水被煅燒除去的最低溫度。同時(shí)

9、，煅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)聚會絮凝沉淀，是因?yàn)榉肿娱g的范德華力、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

10、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?jiān)O(shè)計(jì)制備納米二氧化鈦的實(shí)驗(yàn)方案。首先將28mL水與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75r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EYablonovitch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相當(dāng)時(shí)，光波的色散關(guān)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”(PhotonicBandGapPBG,頻率