溶胶-凝胶法制备TiO2-SiO2复合粉体

2011-2012第1学期期末综合实验报告

溶胶-凝胶法制备TiO2－SiO2复合粉体

姓 名： 学 号： 班 级： 指导教师：

0812207123 材本0804 何静

题目：溶胶-凝胶法制备TiO2－SiO2复合粉体 一、实验目的及要求

（1）了解并撑握进行科学研究的过程，提高学生的逻辑思维能力，为以后进行科学研究奠定基础。

（2）提高学生的实验动手能力和科学分析能力，使学生通过这次锻炼能够撑握科学实验的过程，从而激发对科学研究的兴趣。

（3）通过本次综合实验，使学生把书本上的理论和实际结合起来，从而达到学以致用的目的。

（4）写出完整的实验报告，重点分析实验结果并进行详细的讨论，提高学生的数据处理能力。 二、实验原理

溶胶—凝胶法是一种湿法化学工艺，由金属醇盐或其它盐类溶解在醇醚等有机溶剂中形成均匀的溶液，溶液再通过水解和缩聚反应形成溶胶，进一步的聚合反应经过溶胶—凝胶转变形成凝胶。在低温阶段发生的溶胶到凝胶的转变过程，可以用来制备涂层。采用溶胶—凝胶法的基本过程是：易于水解的金属化合物（无机盐）在某种溶剂中与水发生反应，经过水解与缩聚过程而逐渐凝胶化。其基本的反应过程是水解反应和聚合反应。反应方程式如下（以合成氧化钛为例）：

水解反应：Ti－OR＋H2O→Ti－OH＋ROH 聚合反应：Ti－OH＋RO－Ti→Ti－O－Ti＋ROH Ti－OH＋OH－Ti→Ti－O－Ti＋H2O

式中：R﹦C4H9

由于溶胶—凝胶法是目前广为采用的纳米粉体制备方法，因此本研究采用溶胶-凝胶法制备TiO2－SiO2超细粉体。即采用钛酸丁酯、正硅酸乙脂为主要原料，加入去离子水和无水乙醇配制成反应溶液，并加入乙酰丙酮作抑制剂以缓解钛酸丁酯的强烈水解作用，从而形成均匀而透明的溶胶。溶胶经干燥、煅烧后制备成TiO2－SiO2粉体。 三、实验内容

（1）撑握TiO2光催化剂的制备机理及方法。

（2）探究溶胶pH值的变化对TiO2－SiO2溶胶性能的影响机理及规律。

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（3）考察水浴温度的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响及规律。 （4）SiO2的含量的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响及规律。 四、 实验药品及仪器

所用原料及来源

名 称 钛酸四正丁酯 正硅酸乙脂 无水乙醇 乙酰丙酮 硝 酸 蒸 馏 水 氨水

化 学 式 C16H36O4Ti C8H20O4Si C2H5OH C5H8O2 HNO3 H2O NH3·H2O

实验用仪器名称及型号

名 称 恒温磁力搅拌器 干 燥 箱 箱 式 电 炉 恒温水浴

五、具体实验步骤 （1）基础溶胶的制备 (a)TiO2溶胶的制备

①取100ml、20ml、100ml和5ml的量筒各一个，分别标明量无水乙醇、钛酸四正丁酯、水和乙酰丙酮，注意千万不可混用。 ②先量取20ml无水乙醇于200ml烧杯中，缓慢搅拌。 ③再量取10ml钛酸四正丁酯，缓慢加入搅拌的无水乙醇中。

④加入大约2ml的乙酰丙酮和适量浓硝酸，调制溶胶pH值约为3，搅拌约15分钟以上。

⑤充分搅拌后，再以极缓慢的速度加入20ml的水，再搅拌至溶液成为淡黄色透

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纯 度 化学纯 化学纯 分析纯 化学纯 分析纯 / /

型 号 85-2型 101A-1型 SX2-16型

/

作 用 自动搅拌 干 燥 热处理

明溶液（如有少量沉淀，则可继续滴加浓硝酸至沉淀消失；如有大量沉淀，实验失败。），然后将溶胶密封放置。 (b)TiO2-SiO2双组分溶胶的制备

在新制备的TiO2溶胶加入2ml正硅酸乙脂，再搅拌1h，密封放置待用，即为所需TiO2-SiO2复合溶胶，称为基础溶胶。 （2）pH值的变化对TiO2－SiO2溶胶性能的影响

向新制备的TiO2-SiO2复合溶胶中缓慢滴加氨水，边加边搅拌，调节pH值分别为3、5、7，观察溶胶颜色、沉淀情况、胶凝状态等性能的变化。 （3）水浴温度的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响

将新制备的3组TiO2-SiO2复合溶胶中分别放入温度为50℃、70℃和90℃的水浴中，半小时观察一次，观察溶胶颜色、沉淀情况、胶凝状态等性能的变化。 （4）SiO2的含量的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响

向新制备的TiO2-SiO2复合溶胶中滴加2ml、5ml、8ml正硅酸乙脂，边加边搅拌，观察溶胶颜色、沉淀情况、胶凝状态等性能的变化。 （5）粉体的制备

在电炉中，以10℃/min的速度加热至400℃，并在400℃下保温0.5h后，自然冷却，观察粉体颜色的变化。 五、实验数据处理

（1）pH值的变化对TiO2－SiO2溶胶性能的影响 pH值 3 5 7

（2）水浴温度的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响

溶胶颜色 橙红色 橙黄色 淡黄色 沉淀情况 无沉淀 无沉淀 少量沉淀 胶凝状态 很难凝胶，较透明 透明度较好，不浑浊 透明度较好，不浑浊 3

水浴温度 50℃ 70℃ 溶胶颜色 橘黄色 橘红色 沉淀情况 无沉淀 无沉淀 胶凝状态 透明度好，不浑浊 凝胶时间较长透明度减低 凝胶时间缩短，凝胶不稳定 90℃ 红色 少量沉淀 （3）SiO2的含量的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响

SiO2的含量 溶胶颜色 2ml 5ml 8ml 六、结论

（1）pH值的变化对TiO2－SiO2溶胶性能的影响规律是什么，并简述产生的主要原因。

答：通过控制pH值的大小可控制凝胶时间，pH值为3~5的范围内得到的凝胶较理想，且凝胶时间可以控制。这是因为硝酸在反应体系中是作稳定剂和催化剂的，加入的硝酸能使胶体颗粒表面带有一定量的正电荷组织颗粒间的相互团聚，从而使体系反应更加稳定和平衡。

（2）水浴温度的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响规律是什么，并简述产生的主要原因。

答：钛酸丁酯水解温度越高凝胶时间越短，溶胶越不稳定。温度在50℃以下时凝胶时间较长，而当温度高于70℃时，凝胶时间较短。温度升高水解反应速率增大，同时胶粒动能增大，相互之间碰撞频繁，粒子团聚几率增大，缩合反应加快，凝胶时间缩短；另一方面，温度越高时，有机溶剂乙醇部分挥发出来，使得参加水解缩聚反应的反应物浓度增大，缩聚反应所得到的聚合物浓度也增大，进一步缩聚和聚沉更易进行，所得凝胶时间极大地缩短。

（3）SiO2的含量的不同对TiO2－SiO2溶胶性能的影响规律是什么，并简述产生的主要原因。

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沉淀情况 无 无 无 胶凝状态 无 无 胶凝 红色 橙红色 橙黄色

答：制备的样品中近似于球形的TiO2颗粒均匀的分散在SiO2基底中，这可能是由于SiO2基底中介孔极小，并且具有高度的分散性，由于微孔中液体的表面张力的作用，是的样品在制备过程中TiO2 溶胶在相邻的介孔中流动收到了一定的限制，从而使样品中TiO2 颗粒很少团聚，而具有很好的分散性。

（4）根据上面的分析，如何要得到性能稳定（均一、透明、无沉淀、稳定性好）的TiO2－SiO2溶胶，其最佳工艺参数是什么？

答：pH值为3~5，反应温度为50℃~70℃，2ml正硅酸乙脂。 七、思考题

1、影响TiO2－SiO2溶胶性能的因素都有哪些？

答：主要影响因素有加水量、抑制剂（浓硝酸）的量、pH值、醇量及反应温度等。

2、制备过程中为什么先加入少量的乙酰丙酮，其作用是什么？ 答：加入少量的为了防止钛酸正四丁酯水解。 3、为什么粉体的颜色深浅不一？试说明其原因。

答：溶胶的凝胶时间不同，反应物水解程度和聚合物的聚合程度也不相同，生成的晶相不同，因此粉体颜色深浅不一。

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答：制备的样品中近似于球形的TiO2颗粒均匀的分散在SiO2基底中，这可能是由于SiO2基底中介孔极小，并且具有高度的分散性，由于微孔中液体的表面张力的作用，是的样品在制备过程中TiO2 溶胶在相邻的介孔中流动收到了一定的限制，从而使样品中TiO2 颗粒很少团聚，而具有很好的分散性。

（4）根据上面的分析，如何要得到性能稳定（均一、透明、无沉淀、稳定性好）的TiO2－SiO2溶胶，其最佳工艺参数是什么？

答：pH值为3~5，反应温度为50℃~70℃，2ml正硅酸乙脂。 七、思考题

1、影响TiO2－SiO2溶胶性能的因素都有哪些？

答：主要影响因素有加水量、抑制剂（浓硝酸）的量、pH值、醇量及反应温度等。

2、制备过程中为什么先加入少量的乙酰丙酮，其作用是什么？ 答：加入少量的为了防止钛酸正四丁酯水解。 3、为什么粉体的颜色深浅不一？试说明其原因。

答：溶胶的凝胶时间不同，反应物水解程度和聚合物的聚合程度也不相同，生成的晶相不同，因此粉体颜色深浅不一。

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