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氧化物气凝胶的制备、结构和性质的研究
作 者: 赵忠强
导 师: 陈代荣
学 校: 山东大学
专 业: 无机化学
关键词: 气凝胶 溶胶-凝胶 溶剂热 电解 薄膜 气敏性质 光致发光
分类号: O648.17
类 型: 博士论文
年 份: 2008年
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引 用: 2次
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内容摘要
本论文主要探讨利用溶胶-凝胶方法制备具有纳米结构的金属氧化物气凝胶,并对其微观结构和性质进行了研究。内容包括气凝胶的制备过程、微观结构的表征和制备条件的选择,检测了金属氧化物气凝胶的物理化学性质,如热性质、光学性质和气敏性质。探讨了金属氧化物气凝胶的形成机理,丰富和发展了的氧化物气凝胶制备的理论和方法。1.高比表面积ZrO2气凝胶的制备通过电解结合溶胶-凝胶法制备了氧化锆基凝胶,进一步通过超临界CO2干燥和冷冻干燥技术对凝胶进行干燥,成功合成了高比表面的ZrO2气凝胶。本研究提供了一个简单的以无机盐为原料制备ZrO2气凝胶的方法,并可能用于制备其它的金属氧化物气凝胶。首先,分别配制30 mL浓度为0.3 mol/L(C2Y+Zr),Y2O3:ZrO2的摩尔比为0:100,3:97,6:94,8:92的水溶液,分别在25℃下直流电解池中电解。当电解进行一段时间后,溶液转变成溶胶,停止电解,向溶胶中加入异丙醇,获得ZrO2基湿凝胶。然后将湿凝胶分成两份:一份用无水乙醇交换湿凝胶网络中的水,然后用超临界CO2干燥,即可得到ZrO2气凝胶块体;另一份直接进行冷冻干燥,即可得到粉末状的ZrO2气凝胶。通过超临界干燥技术制备的气凝胶是透明块体,不含Y3+的ZrO2气凝胶平均孔径为9.7nm,比表面积约为640 m2/g;而通过冷冻干燥技术制备的气凝胶是白色粉末,平均孔径为0.59 nm,比表面积约为400 m2/g。500℃煅烧后,超临界干燥的产物表现为四方相和单斜相ZrO2的混和物相,而冷冻干燥产物煅烧后为单一的四方相ZrO2。Y3+的掺杂对气凝胶的粒子尺寸、微结构、孔尺寸以及煅烧后的物相结构没有明显影响,这主要是由于Y3+在500℃煅烧后未能完全均匀地进入ZrO2晶格中所致。2.高表面积结晶态TiO2气凝胶的制备和光致发光性质研究以钛酸四丁酯为原料,丙酮为溶剂,乙酰丙酮为络合剂,通过钛酸四丁酯和水发生反应,使溶液胶凝得到TiO2湿凝胶。然后把凝胶放入15 mL高压釜中,加入丙酮,填充度为80%,分别在120、140、160℃进行溶剂热2 h处理,使TiO2结晶,得结晶态TiO2湿凝胶(锐钛矿相)。再将结晶TiO2湿凝胶分别进行CO2超临界干燥、真空干燥、常压干燥制得气凝胶。本文将溶胶-凝胶法与溶剂热法相结合,形成了一个新的制备气凝胶的工艺,利用溶胶一凝胶法,结合溶剂热方法首次制备了高表面积的结晶的TiO2气凝胶,并研究了气凝胶在不同干燥方式下的微结构和性质。120、140、160℃溶剂热处理的样品经过干燥后表面积为220-800 m2/g,其中140℃处理的样品的比表面积最大,经超临界、真空、常压三种干燥方式形成的产物比表面积分别为794.2 m2/g(超临界干燥)、662.7 m2/g(真空干燥)、528.9 m2/g(常压干燥)。本实验中所获得的TiO2气凝胶表面积在常压干燥条件下还可达到500 m2/g以上,其较大的比表面积应归功于溶剂热处理过程中凝胶网络强度的增大。光学性能研究表明,所有的气凝胶都具有明显的光致发光性质,这与构成气凝胶的粒子小的尺寸和表面缺陷等有关。可以看出这是一个很好的制备结晶态气凝胶材料的方法,为研究制备高表面积的结晶气凝胶又提供了一个新的思路。3.SnO2气凝胶薄膜的制备及气敏性质研究本文以环氧丙烷和SnCl4·5H2O为原料,乙醇为溶剂,通过环氧丙烷和SnCl4·5H2O反应,制备了SnO2基醇溶胶,然后采用提拉法在载玻片上镀膜,待溶胶胶凝后,经CO2超临界萃取,制得SnO2气凝胶薄膜。以同样的方法将SnO2气凝胶薄膜镀到气敏元件上,制备了SnO2气凝胶气敏传感器,并用气敏元件测试系统测试了所制备的SnO2薄膜在不同工作温度下对乙醇、丙酮、汽油蒸汽的气敏特性。SnO2气凝胶薄膜是由直径4-5 nm的结晶态球形粒子相互连接而成的网状结构,厚度为0.25μm,膜与基质结合紧密,厚度均匀。N2吸附-脱附实验表明,SnO2气凝胶薄膜的比表面积为388 m2/g,平均孔径8.2 nm。吸附等温线为Ⅳ型,有一个H1型滞后环,说明薄膜为介孔结构。直接超临界得到的SnO2气凝胶显示了锡石结构四方相SnO2的特征峰,当薄膜在250℃老化后,衍射峰强度增加,说明其结晶度增强,但薄膜未出现裂纹,且SnO2粒子未出现明显长大,其平均粒径4.7 nm。气敏性能测试结果表明,SnO2气凝胶薄膜构成的气敏元件经250℃老化后,在160-440℃之间对浓度为2-100 ppm的三种气体都有响应,元件对三种气体均有良好的灵敏性,而且对三种气体的响应/恢复速率都非常迅速。
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全文目录
摘要 7-10 ABSTRACT 10-13 第一章 绪论 13-34 1.1 气凝胶材料 13-20 1.1.1 气凝胶的研究进展 13-15 1.1.2 气凝胶的制备 15-19 1.1.3 气凝胶的应用 19-20 1.2 溶胶-凝胶化学 20-28 1.2.1 溶胶-凝胶化学概述 20-22 1.2.2 溶胶-凝胶过程 22-27 1.2.3 溶胶-凝胶技术在气凝胶制备中的应用 27-28 1.3 本课题选择的目的 28-29 1.4 参考文献 29-34 第二章 高比表面积ZrO_2气凝胶的制备与表征 34-53 2.1 前言 34-35 2.2 实验部分 35-37 2.2.1 合成 35-36 2.2.2 表征 36-37 2.3 结果与讨论 37-48 2.3.1 湿凝胶的形成 37-38 2.3.2 气凝胶的微结构和性质 38-42 2.3.3 气凝胶煅烧后的物相和微结构 42-44 2.3.4 钇掺杂量的影响 44-47 2.3.5 ZrO_2气凝胶的导热性能 47-48 2.4 结论 48 2.5 参考文献 48-53 第三章 高表面积结晶态TiO_2气凝胶的制备和光致发光性质研究 53-76 3.1 前言 53-54 3.2 实验部分 54-55 3.2.1 合成 54-55 3.2.2 表征 55 3.3 结果与讨论 55-71 3.3.1 TiO_2湿凝胶的晶化 55-58 3.3.2 结晶TiO_2气凝胶 58-66 3.3.3 气凝胶煅烧后的晶型和微结构 66-70 3.3.4 气凝胶的光谱性质 70-71 3.4 结论 71-72 3.5 参考文献 72-76 第四章 SnO_2气凝胶薄膜的制备及气敏性质研究 76-98 4.1 前言 76-77 4.2 实验部分 77-79 4.2.1 SnO_2气凝胶薄膜的制备 77-78 4.2.2 样品的性质表征 78 4.2.3 SnO_2气凝胶薄膜气敏性质的测试 78-79 4.3 结果与讨论 79-89 4.3.1 SnO_2 气凝胶薄膜的制备 79-80 4.3.2 SnO_2气凝胶薄膜的微结构 80-84 4.3.3 SnO_2气凝胶薄膜的气敏性质 84-89 4.4 结论 89 4.5 参考文献 89-98 结束语 98-99 致谢 99-100 攻读博士期间发表和待发表的论文 100-101 附录 101-139 Zirconia Aerogels with High Surface Area Derived from Sols Prepared by Electrolyzing Zirconium Oxychloride Solution: Comparison of Aerogels Prepared by Freeze-Drying and Supercritical CO_2(1) Extraction 101-119 Synthesis and Photoluminescence Properties of Crystalline TiO_2 Aerogels with High-Surface-Area 119-139 学位论文评阅及答辩情况表 139
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中图分类: > 数理科学和化学 > 化学 > 物理化学(理论化学)、化学物理学 > 胶体化学(分散体系的物理化学) > 胶体 > 凝胶及软胶
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