二氧化硅气凝胶的溶胶—凝胶法制备及金属银纳米粒子掺杂研究

论文摘要

二氧化硅气凝胶材料具有纳米多孔结构、大比表面积和低密度等特征,是一种轻质纳米多孔材料。这种材料具有许多奇异的性质,如:特殊的光学性质、良好的隔热性能、高介电强度特性、低声速和优良的催化性能等。从而,其应用领域十分广泛。尤其是二氧化硅气凝胶作为催化剂或催化剂载体和隔热材料,在实际应用中显示了十分明显的优势,具有良好的应用前景。目前,为了推广和使用二氧化硅气凝胶,必须进一步改进二氧化硅气凝胶制备技术,改善二氧化硅气凝胶性能,降低气凝胶的制备成本。本文采用正硅酸乙酯为硅源,通过溶胶-凝胶方法在常温常压条件下,制备二氧化硅气凝胶,研究了常温常压条件下各因素（催化剂、配比、凝胶的后处理措施等）对凝胶样品的影响。采用添加干燥控制化学添加剂及溶剂替换等措施用于改善凝胶的开裂,其效果明显,并最终找到常温常压条件下制备二氧化硅气凝胶的途径,优化了制备工艺。为了得到性能良好的二氧化硅气凝胶样品,反应物止硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水的摩尔比为1:8:6;此外,为了缩短制备周期,降低凝胶时间,同时又要保证水解、缩聚反应进行的比较彻底,实验中,采用先用酸（盐酸）后用碱（氨水）的两步催化措施;采用二甲基甲酰胺作为干燥控制化学添加剂改善开裂的效果明显优于二甲基亚砜和甘油。而且,二甲基甲酰胺与正硅酸乙酯的摩尔比为0.75时效果最好,得到没有裂纹的二氧化硅气凝胶。采用透射电子显微镜、傅立叶变换-红外光谱仪和X射线衍射仪分别对二氧化硅颗粒的形貌、颗粒分布、组份以及晶型进行观测和分析。得出如下结论:从透射电子显微镜中观测到,二氧化硅颗粒呈球形,表面光滑,颗粒分布较均匀,平均颗粒尺寸约80 nm。红外光谱显示,在1078 cm-1附近为Si-O-Si键的反对称伸缩振动引起的强吸收峰,且红外光谱呈单峰,这说明Si-O-Si键是短链结构。X射线衍射图样显示,二氧化硅属于非晶态,处于一种无定形结构状态。温度升高不会影响二氧化硅的内部结构,二氧化硅仍处于非晶态,热处理温度升高只是增加了其致密度。本文采用一种新方法——改进的原位法,来制备银/二氧化硅复合气凝胶。在已制备好的二氧化硅溶胶中加入硝酸银,银离子被还原成银原子。多个银原子聚集形成银纳米粒子,并且沉积在二氧化硅表面上,从而制备了银/二氧化硅复合气凝胶。因此,采用此方法,通过控制反应物中银的含量来制备所需银含量的银/二氧化硅复合气凝胶。采用透射电子显微镜,对银/二氧化硅复合气凝胶的形貌、银颗粒的尺寸及银颗粒的分布进行了观测:用X射线衍射仪对银纳米粒子的晶型进行了分析;用紫外-可见近红外光谱仪对银纳米粒子的光吸收特性进行了分析。得出如下结论:被掺杂的银纳米粒子（15-20 nm）具有良好的面心立方结构,且均匀地分布于二氧化硅颗粒表面:银粒子的等离子共振吸收峰位于410nm,并且随着处理温度的升高和银含量的增加,金属银颗粒尺寸逐渐增大,其等离子共振吸收峰强度增强;最后,运用Mie理论对银的等离子共振吸收给出了理论解释。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 溶胶-凝胶理论与技术
• 1.1.1 溶胶-凝胶原理及过程
• 1.1.2 溶胶-凝胶技术的应用
• 1.1.3 溶胶-凝胶技术的特点
• 1.2 二氧化硅气凝胶
• 1.2.1 二氧化硅气凝胶的发展历程
• 1.2.2 二氧化硅气凝胶的制备方法
• 1.2.3 二氧化硅气凝胶的性质与应用
• 1.3 金属/二氧化硅复合气凝胶
• 1.3.1 金属纳米粒子的效应
• 1.3.2 金属/二氧化硅复合气凝胶的制备方法
• 1.4 课题提出的背景、研究内容及创新之处
• 1.4.1 课题提出的背景
• 1.4.2 研究内容与创新之处
• 1.5 本章小结
• 第2章 二氧化硅气凝胶的常温常压制备与表征
• 2.1 引言
• 2.2 二氧化硅气凝胶的溶胶-凝胶制备原理
• 2.2.1 醇凝胶的制备
• 2.2.2 凝胶的后处理
• 2.3 实验部分
• 2.3.1 实验试剂与仪器
• 2.3.2 常温常压制备二氧化硅气凝胶的影响因素
• 2.3.3 实验参数的确定与工艺优化
• 2.3.4 制备二氧化硅气凝胶的实验过程
• 2.4 二氧化硅气凝胶的结构表征与性能分析
• 2.4.1 二氧化硅气凝胶的开裂情况观测
• 2.4.2 二氧化硅气凝胶的TEM观测
• 2.4.3 二氧化硅气凝胶的FT-IR分析
• 2.4.4 二氧化硅气凝胶的XRD分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 二氧化硅气凝胶的金属银纳米粒子掺杂研究
• 3.1 引言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂与仪器
• 3.2.2 实验参数的确定与工艺优化
• 3.2.3 银/二氧化硅复合气凝胶的制备过程
• 3.3 银/二氧化硅复合气凝胶的结构表征与性能分析
• 3.3.1 银纳米粒子形成机理
• 3.3.2 银/二氧化硅复合气凝胶的 TEM观测
• 3.3.3 银/二氧化硅复合气凝胶的 XRD分析
• 3.3.4 银/二氧化硅复合气凝胶的UV吸收分析
• 3.4 利用 Mie理论对光吸收实验结果的讨论
• 3.5 本章小结
• 第4章 总结与展望
• 4.1 总结
• 4.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间研究成果