第五章软化学和绿色合成方法.ppt

第五章软化学和绿色合成方法
软化学概述
溶胶-凝胶法(sol-gel)
低热固相反应
(solid state synthesis at room temperature)
先驱物法(precursor route)
拓扑化学反应(topotaxial chemistry)
绿色化学(green chemistry)
软化学(Soft Chemistry)
在超高温高压或超低温、超真空、强射线辐射、失重等极端条件下的化学合成,如自蔓延高温合成、固体火焰燃烧反应以及一些爆炸反应等。
硬化学:
可在温和条件下缓慢反应,且可以较容易地控制反应步骤,因而易于实现对其化学反应过程、路径和机理的控制,从而可以根据需要控制过程的条件,对产物的组分和结构进行设计,进而达到“剪裁”其理化性质的目的。
软化学:
软化学(Soft Chemistry)
溶胶-凝胶 Sol-Gel Process
低热固相反应 synthesis at room temperature
先驱物法 precursor route
嵌入反应 Intercalation
脱嵌反应 De-intercalation
脱水反应 Dehydration
离子交换 Ion Exchange
拓扑
化学
分类
溶胶-凝胶法(sol-gel)
胶体(colloid)是一种分散相粒径很小的分散体系,分散相粒子的重力可以忽略,粒子之间的相互作用主要是短程作用力。
溶胶(Sol)是具有液体特征的胶体体系,分散的粒子是固体或者大分子,分散的粒子大小在1~1000 nm之间。
凝胶(Gel)是具有固体特征的胶体体系,被分散的物质形成连续的网状骨架,骨架空隙中充有液体或气体,凝胶中分散相的含量很低,一般在1%~3%之间。
用含高化学活性组分的化合物作前驱体,在液相下将这些原料均匀混合,并进行水解、缩合化学反应,在溶液中形成稳定的透明溶胶体系,溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合,形成三维空间网络结构的凝胶,凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。
应用:具有不同特性的氧化物型薄膜,如V2O5, TiO2, MoO3, WO3, ZrO2, Nb2O3等。
溶胶-凝胶法(sol-gel)
溶胶-凝胶法的基本原理
溶剂化:
M(H2O)nz+=M(H2O)n-1(OH)(z-1)+H+
水解反应:
M(OR)n+xH2O=M(OH)x(OR)n-x+xROH------M(OH)n
缩聚反应:
失水缩聚:-M-OH+HO-M-=-M-O-M-+H2O
失醇缩聚:-M-OR+HO-M-=-M-O-M-+ROH
分子态——聚合体——溶胶——凝胶——晶态或非晶态
水解反应机理
测定前驱物金属醇盐的水解程度(化学定量分析法)
测定溶胶的物理性质(粘度、浊度、电动电位)
胶粒尺寸大小(准弹性光散射法、电子显微镜观察)
溶胶或凝胶在热处理过程中发生的物理化学变化(XRD、中子衍射、DTG-TG)
反应中官能团及键性质的变化(红外、拉曼)
固态物体的核磁共振谱测定M-O结构状态
溶胶-凝胶法的测试方法
起始原料是分子级的能制备较均匀的材料
较高的纯度
组成成分较好控制可降低程序中的温度
具有流变特性,可用于不同用途产品的制备
可以控制孔隙度
容易制备各种形状
溶胶-凝胶法
原料成本较高
存在残留小孔洞
较长的反应时间
有机溶剂的危害性
优点
缺点