二氧化硅的制備

納米二氧化硅顆粒的制備與表征

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/span>

1、 學(xué)習(xí)溶膠—凝膠法制備納米SiO顆粒。

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2、 利用粒度分析儀對SiO顆粒物相分析和粒徑測定。

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3、 通過紅外光譜儀對納米SiO顆粒進(jìn)行表征。

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4、 通過熱重分析儀測試煅燒溫度。

二、實(shí)驗(yàn)原理

納米SiO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

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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)

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：

???Si?OH?ROH?Si?OR?HO?

硅烷的水解過程

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第二步 縮合：

硅烷的縮聚過程

?Si?OH?HO?Si?????Si?O?Si??HO

2

???Si?O?Si?2ROH2?Si?OR?HO?

總反應(yīng)：

2

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(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)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，TEOS，1:1 氨水，濃氨水、濃鹽酸，精密pH 試

紙。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

① Stober 法制備納米SiO顆粒

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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

10min。 將上述硅烷溶液放入水浴鍋中，水溫35℃，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100℃，烘干，即得SiO 前軀

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體粉末。將粉末碾碎后在300℃ 煅燒20min 即得SiO 粉末。

2

② SiO 顆粒的粒徑測試

2

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。

③ SiO 顆粒紅外光譜測試

2

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

2

下研磨至粉狀。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。

④ SiO 顆粒的WCT熱分析測試

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稱取未煅燒前的二氧化硅粉末，用WCT熱分析系統(tǒng)對其進(jìn)行測試。設(shè)定升溫

速率為4.59 ℃/min，測定時間為1小時。

五、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

① 二氧化硅顆粒產(chǎn)量

實(shí)際產(chǎn)量：2.03 g

理論產(chǎn)量：10 mL×0.933 g·mL/208.33 g·mol×60.08 g= 2.69 g

-1-1

實(shí)際產(chǎn)率：75.45%

② SiO 顆粒的粒徑分析

2

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 μm和90 μm的SiO顆粒，粒徑均未達(dá)到納米尺度，

2

僅在微米尺度。

③ SiO 顆粒紅外光譜測試

2

從Scifinder上查得的二氧化硅的標(biāo)準(zhǔn)紅外光譜圖如下。

圖 1 SiO紅外標(biāo)準(zhǔn)光譜圖

2

從圖中可以看出，1095 cm強(qiáng)而寬的吸收帶為Si-O-Si反對稱伸縮振動

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峰，3450 cm處峰是結(jié)合水-OH反對稱伸縮振動峰，1638 cm處附近為水的

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H-O-H彎曲振動峰，800 cm、466 cm處的峰屬于Si-OH的對稱伸縮振動和彎

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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，1106 cm強(qiáng)而寬的吸收峰為Si-O-Si反對稱伸縮振動峰，3441 cm處

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為結(jié)合水-OH反對稱伸縮振動峰，1638 cm處為水的H-O-H彎曲振動峰，800

-1

cm、563 cm處的峰為Si-OH的對稱伸縮振動和彎曲振動峰。

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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。

④ SiO 顆粒的WCT熱分析

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由WCT熱分析曲線（附圖3）可知，初始溫度為=16.6℃，初始質(zhì)量為

T

i

m

01

=14.4293 g。完全失水后的質(zhì)量為m=2.0146 mg，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SiO顆粒，產(chǎn)率為75.45%。通過傅

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里葉紅外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10~90 μm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SiO進(jìn)行分析，得出其含水量占85.03%，完全失水

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溫度為104.7℃，所以若烘箱溫度低于104.7℃則無法將水除去。

對于實(shí)驗(yàn)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(dá)

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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WCT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，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。或者用有機(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℃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℃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Ti0粉末。

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光子晶體

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(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，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）。這些被終止的

頻率區(qū)間稱為“光子頻率禁帶”（Photonic Band Gap，PBG），頻率落在禁帶中的

光或電磁波是無法傳播的。特別需要指出的是，介電系數(shù)周期性排列的方向并不

等同于帶隙出現(xiàn)的方向，在一維光子晶體和二維光子晶體中，也有可能出現(xiàn)全方

位的三維帶隙結(jié)構(gòu)。

目前，光子晶體已成為物理學(xué)和材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)，發(fā)展迅速。在眾多光

子晶體的制備方法中，膠體晶體模板法制備光子晶體的工藝被認(rèn)為最為簡便和有

效，也最有發(fā)展和應(yīng)用前景。