氧化硅的制備

1、氧化硅的制備Revised by Hanlin on 10 January 2021納米二氧化硅顆粒的制備與表征一、實驗?zāi)康?、學習溶膠一凝膠法制備納米SiOz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SiO：顆粒進行表征。4、通過熱重分析儀測試鍛燒溫度。二、實驗原理納米SiOi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 疑基基團，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)。圖1納米二氧化硅三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)圖2納米二氧化硅表面上存在著大量的疑基基團溶膠凝膠法（Sol-Gel法）：利用活性較

2、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、鍛燒獲得前驅(qū)體相應(yīng)的氧化物。第一步水解：硅烷的水解過程 -Si-OR + HiO-Si-OH+ROH第二步縮合：硅烷的縮聚過程 -Si-OH + HO Si-Si-O-Si-HiO總反應(yīng)：2-Si-OR+HiO-Si-O-Si + 2ROH硅烷的濃度，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(yīng)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(yīng)，而堿性條件下更能促進縮聚反應(yīng)的進行。因此，選 擇合理的pH值能控

3、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，堆塌，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，TEOS, 1:1氨水，濃氨水、濃鹽酸，精密pH試 紙。四、實驗步驟 Stober法制備納米SiO：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10mL TEOS,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 lOmi

4、no將上述硅烷溶液放入水浴鍋中，水溫35°C,陳化lh。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100°C,烘干，即得SiO：前軀體 粉末。將粉末碾碎后在300°C熾燒20min即得SiO?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(yù)先攪拌好的二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。 SiO：顆粒紅外光譜測試將微量的納米SiO：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

5、磨至粉狀。將粉末小心的加到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。 SiO：顆粒的WCT熱分析測試稱取未鍛燒前的二氧化硅粉末，用WCT熱分析系統(tǒng)對其進行測試。設(shè)定升溫 速率為°C/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：g理論產(chǎn)量：10 mLX g mL'*/ g mol-1 X g= g實際產(chǎn)率：% Si02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10 Um和90 Um的SiO：顆粒，

6、粒徑均未達到納米尺度，僅 在微米尺度。 Si02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。圖1 SiO：紅外標準光譜圖從圖中可以看出，1095 cnf'強而寬的吸收帶為Si-0-Si反對稱伸縮振動峰，3450 cf處峰是結(jié)合水-0H反對稱伸縮振動峰，1638 cf處附近為水的H-0-H彎曲振動峰，800 cm' 466 cnf1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（鍛燒后）的紅外光譜圖（見附圖2）中可以看 出，1106 cm"強而寬的吸收峰為Si-0-Si反對稱伸縮振動峰，3441 cnf"

7、處為結(jié) 合水-0H反對稱伸縮振動峰，1638 cm"處為水的H-0-H彎曲振動峰，800 cm_1> 563 cm"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。 S102顆粒的WCT熱分析由WCT熱分析曲線（附圖3）可知，初始溫度為2二°C,初始質(zhì)量為為二go完 全失水后的質(zhì)量為111!= mg,減少的質(zhì)量占,即失去的含水量為。六、實驗結(jié)論與討論實驗成功地通過Stber法溶膠-凝膠法制備合成了 SiO：顆粒，產(chǎn)率為。通過 傅里葉紅外光譜分析確定了制備得到

8、的二氧化硅顆粒的組成：通過粒徑分析儀確 定了鍛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10、90 Um的粒徑 范圍內(nèi)，沒有達到納米尺度；通過WCT熱分析方法對未鍛燒前的SiO：進行分析， 得出其含水量占,完全失水溫度為。C,所以若烘箱溫度低于°C則無法將水除去。對于實驗未成功制得納米級的SiO：顆粒的原因，分析可能為：凝膠條件的選 擇并未達到最佳，或者是鍛燒溫度不合適。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、如何確定鍛燒溫度為確定二氧化硅的鍛燒溫度，需對其進行WCT熱分析，從而確定二氧化硅中 水被鍛燒除去的最低溫度。同時，懶燒溫度也取決于所需的

9、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聚控制好硅烷的濃度，溶液的PH,溫度等實驗條件。或者用有機物洗滌，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，是因為分子間的范徳華力、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

10、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(shè)計制備納米二氧化鈦的實驗方案。首先將28mL水與112 mL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17 mL的前驅(qū)體TBT與4 mL乙醇混合，作 為反應(yīng)前驅(qū)體，在75°C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 75°C下反應(yīng)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 TiO,粉末。洸子晶體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(yīng)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(guān)系會出 現(xiàn)帶狀結(jié)構(gòu)，此即光子能帶結(jié)構(gòu)(Photonic Band structures) o這些被終止的 頻率區(qū)間稱為“光子頻率禁帶”(Photonic Band Gap, PBG),頻率落在禁帶