二氧化硅的制备.docx

0H图1纳米二氧化硅三维网状结构0HOH 0HHO-Si—OH HO—Si—OHT ? ? °iHOH-Si-OW + OH- Si-OH + 5 Si(OH)4 ― OH- Si-O-Si— O 一S^O- Si-OHOH OH OH O a OH纳米二氧化硅颗粒的制备与表征一、实验目的1、 学习溶胶—凝胶法制备纳米 SiO 颗粒22、 利用粒度分析仪对 SiO 颗粒物相分析和粒径测定 23、 通过红外光谱仪对纳米 SiO 颗粒进行表征24、 通过热重分析仪测试煅烧温度二、实验原理纳米 SiO 具有三维网状结构 ，拥有庞大的比表面积 ，表面上存在着大量2的羟基基团, 亲水性强, 众多的颗粒相互联结成链状 ，链状结构彼此又以氢键 相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构SiHO—Si-OH HO—Si-QHOH OH图2 纳米二氧化硅表面上存在着大量的羟基基团溶胶凝胶法（Sol-Gel法）：利用活性较高的前驱体作为原料，在含水的溶 液中水解，生成溶胶，然后溶胶颗粒间进一步发生相互作用，与溶剂共同生成凝 胶，干燥后、煅烧获得前驱体相应的氧化物第一步 水解：硅烷的水解过程 -Si - OR + H 20——-Si - OH + ROH第二步 缩合：硅烷的缩聚过程—Si - OH + HO — Si Si - O — Si-+ H 2O总反应： 2 - Si - OR + H 2O ——> -Si - O - Si + 2 ROH硅烷的浓度，硅烷溶液的 pH 值，溶剂成分，水解时间与温度均会影响到硅 烷的水解缩聚过程。

其中， pH 值能影响硅烷溶液的水解缩聚反应速率一般认为酸性和碱性条 件下均有利于硅烷的水解反应，而碱性条件下更能促进缩聚反应的进行因此， 选择合理的 pH 值能控制硅烷的水解与缩合反应速率水含量除了影响硅烷的水解与缩聚反应速率外，还影响其溶解性；而醇溶剂 对硅烷分子起到助溶与分散的作用，还起到调节水解速率的作用三、仪器及试剂仪器 常规玻璃仪器，不同型号移液枪，坩埚，研钵，水浴锅，磁子，磁力搅 拌器，烘箱，马弗炉，傅里叶红外光谱仪，差热-热重分析仪，粒度分析仪；试剂 乙醇（AR）,去离子水，TEOS, 1:1氨水，浓氨水、浓盐酸，精密pH试 纸四、实验步骤① Stober法制备纳米SiO2颗粒取 75mL 无水乙醇于烧杯中，加入 25mL 去离子水，搅拌使其均匀向其中加入10mL TEOS，同时搅拌用1:1氨水溶液调节硅烷溶液的pH值至7,搅拌10min将上述硅烷溶液放入水浴锅中，水温35°C，陈化1h向溶液中逐滴加入浓氨水，使其刚好产生果冻状凝胶为止静置，至溶液全部转化为凝胶将所得的凝胶捣碎放入烘箱中，烘箱温度为ioo°c，烘干，即得SiO前躯2 体粉末将粉末碾碎后在300c煅烧20min即得SiO粉末。

2② SiO 颗粒的粒径测试2 先将大烧杯中装满水，对大烧杯进行清洗，倒去水向大烧杯中装入部分 水，测试背景将小烧杯中预先搅拌好的二氧化硅浊液倒入大烧杯中，进行充 分混合均匀，对其进行粒径分析③ SiO 颗粒红外光谱测试2将微量的纳米SiO颗粒样品和约80倍质量的KBr加入到研钵中，在红外灯2下研磨至粉状将粉末小心的加到带孔的小纸片的铁柱上，在20MPa的压力下压片约1分钟，得到透明的薄膜用铁片和磁铁固定住薄膜纸片后，放入傅里叶红 外光谱仪中测其红外光谱图④ SiO颗粒的WCT热分析测试2称取未煅烧前的二氧化硅粉末，用WCT热分析系统对其进行测试设定升温速率为4.59 C/min，测定时间为1小时五、实验数据与分析① 二氧化硅颗粒产量实际产量：2.03 g理论产量：10 mLXO.933 g・mL-i/208.33 g・mol-iX60.08 g= 2.69 g 实际产率：75.45%② SiO 颗粒的粒径分析2 由粒径分布谱图（见附图1）可知，实验制得的二氧化硅主要有两种粒径的颗粒，分别约为10卩m和90卩m的SiO颗粒，粒径均未达到纳米尺度,2仅在微米尺度③ SiO 颗粒红外光谱测试2从Scifinder上查得的二氧化硅的标准红外光谱图如下。

0® 09 0寸 医UJolwl一一巨⑷ Zvy-LI1 1 I1 1 1 1 I1 1 1 1 I1 1 1 1 I1 1 1 1 I1 1 1 1 I1 1 1 1 1^4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500WAVENUMBER [cm-1]图1 SiO红外标准光谱图2从图中可以看出，1095 cm-i强而宽的吸收带为Si-O-Si反对称伸缩振动 峰，3450 cm-i处峰是结合水-OH反对称伸缩振动峰，1638 cm-i处附近为水的 H-O-H弯曲振动峰，800 cm-i、466 cm-i处的峰属于Si-OH的对称伸缩振动和弯 曲振动峰从实验制备的二氧化硅粉末（煅烧后）的红外光谱图（见附图2）中可以 看出，ii06 cm-i强而宽的吸收峰为Si-O-Si反对称伸缩振动峰，344i cm-i处 为结合水-OH反对称伸缩振动峰，i638 cm-i处为水的H-O-H弯曲振动峰，800 cm-i、563 cm-i处的峰为Si-OH的对称伸缩振动和弯曲振动峰实验制备测得的红外光谱图与标准的二氧化硅光谱图比较发现，峰位置 发生了较小的蓝移，但基本与标准谱图相同。

④ SiO 颗粒的 WCT 热分析2由WCT热分析曲线（附图3）可知，初始温度为T=i6.6°C，初始质量为im=i4.4293 g完全失水后的质量为m=2.0i46 mg，减少的质量占85.03%，即失 0i去的含水量为85.03%六、实验结论与讨论实验成功地通过St6ber法溶胶-凝胶法制备合成了 Si02颗粒，产率为75.45%通过傅 里叶红外光谱分析确定了制备得到的二氧化硅颗粒的组成；通过粒径分析仪确定了煅烧后二 氧化硅颗粒的粒径，发现大部分颗粒粒径分布在10~90 am的粒径范围内，没有达到纳米尺度；通过WCT热分析方法对未煅烧前的SiO2进行分析，得出其含水量占85.03%，完全失水 温度为104.7°C，所以若烘箱温度低于104.7°C则无法将水除去对于实验未成功制得纳米级的 SiO2 颗粒的原因，分析可能为：凝胶条件的选择并未达 到最佳，或者是煅烧温度不合适因此，为实现纳米级的二氧化硅颗粒，需进一步探究实验 条件七、思考题1、 如何确定煅烧温度？为确定二氧化硅的煅烧温度，需对其进行 WCT 热分析，从而确定二氧化硅中 水被煅烧除去的最低温度同时，煅烧温度也取决于所需的粒径大小。

通常粒径 要求小，温度则应较低2、 如何减少二氧化硅颗粒的团聚？控制好硅烷的浓度，溶液的PH,温度等实验条件或者用有机物洗涤，用表 面张力小的有机溶剂充分洗涤纳米颗粒 , 可以置换颗粒表面吸附的水分 , 减小氢 键的作用, 减少颗粒聚结的毛细管力, 使颗粒不再团聚也可加入分散剂常用的 分散剂类型有无机电解质、有机高聚物、表面活性剂等3、 团聚与凝胶的区别团聚会絮凝沉淀，是因为分子间的范德华力、库仑力等引起的，产生不规则 的沉淀，里面不会含有大量的水等物质；凝胶是分子之间连接，形成规则的网状 结构，里面包含大量的水分子4、 纳米颗粒表面修饰改性的基本类型纳米颗粒表面修饰改性主要类型有：表面覆盖改性、机械化学改性、外膜层 改性、局部活性改性、高能量表面改性等5、 请设计制备纳米二氧化钛的实验方案首先将 28mL 水与 112 mL 乙醇按体积比 1：4 混合，并加入酸或碱调节溶液pH,得到溶液作为反应介质然后将17 mL的前驱体TBT与4 mL乙醇混合， 作为反应前驱体，在75C下滴加到水和乙醇的混合溶剂中，并在滴加完毕后继 续在75C下反应24h，将得到的悬浊液进行高速离心，用水和乙醇洗涤，干燥后 即得到Ti02粉末。

光子晶体1987 年 E．Yablonovitch 在研究如何控制材料自发辐射性质时提出了光子 晶体的概念，指出介电函数在空间的周期性调制能够改变材料中光子状态的模 式光子晶体中由于光子带隙的存在，产生了很多全新的物理性质和现象，从而 显示出非常宽广的发展和应用前景当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系会出 现带状结构，此即光子能带结构(Pho tonic Band st rue tures)这些被终止的 频率区间称为“光子频率禁带”(Photonic Band Gap, PBG),频率落在禁带中的 光或电磁波是无法传播的特别需要指出的是，介电系数周期性排列的方向并不 等同于带隙出现的方向,在一维光子晶体和二维光子晶体中,也有可能出现全方 位的三维带隙结构目前,光子晶体已成为物理学和材料科学的研究热点,发展迅速在众多光 子晶体的制备方法中,胶体晶体模板法制备光子晶体的工艺被认为最为简便和有 效,也最有发展和应用前景。