Золь-гель процесс - способ получения наноматериалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ (ТГУ)

Химический факультет

Кафедра неорганической химии

Курсовая работа

На тему: «Золь-гель процесс - способ получения наноматериалов»

Руководитель

канд. хим. наук, доцент

Л.Н. Мишенина

Студентка группы №08402

Матафонова Е.А

Томск 2015



Оглавление

Введение

1. Общие сведения о наноматериалах

2. Золь-гель метод получения наноматериалов

2.1 Получение «химического геля»

2.2 Получение «физического геля»

3. Химия золь-гель процесс

3.1 Исследование гидролиза титана (IV)в солянокислых растворах с применением КР - спектроскопии

3.2 Образование золя гидратированного диоксида титана при электролизе раствора четыреххлористого титана

3.3 Образование золя гидроксида циркония при электролизе раствора хлорида циркония

3.4 Образование золей при электролизе двухкомпонентных растворов хлоридов металлов

Заключение

Список литературы



Введение

Наноструктуры интенсивно начали изучать приблизительно двадцать лет назад, и их изучение в настоящее время занимает определенное место в сфере применения. Несмотря на то, что слово «нанотехнология» является относительно новым, устройства и структуры нанометровых размеров не новы. Оказывается, что они существуют на Земле столько же, сколько существует сама жизнь.

Нанотехнология - это область науки и техники, которая означает создание того, что нужно человеку, из атомов или групп атомов (они называются наночастицами) при помощи специальных приборов. Она связана с разработкой устройств размером порядка нанометра. Основное назначение таких устройств - работать с отдельными атомами и молекулами (межатомные расстояния в биологических молекулах измеряются десятыми долями нанометра). Импульс развитию нанотехнологии дало создание сканирующего туннельного микроскопа - устройства, позволяющего исследовать вещество на атомном уровне («видеть атомы») и перемещать отдельные атомы. За это изобретение была присуждена Нобелевская премия в 1986 году.

По причине того, что нанохимия включает в себя множество разделов, и разобрать их в курсовой работе невозможно, то я остановлюсь на небольшом разделе: золь-гель процесс - способ получения наноматериалов.



1. Общие сведения о наноматериалах

Такие термины как «нанометр», «наночастицы», «наноструктуры», «наноматериалы» и «нанотехнологии», в которых приставка «нано» означает миллиардную часть чего-нибудь, в научной литературе появились недавно. Один из самых древних примеров использования таких материалов - окрашивание стекла наночастицами металлов, технология получения которых известна еще с Древнего Египта. Несмотря на это, первая теоретическая работа, в которой был предложен способ возникновения окраски в таких стеклах, появилась лишь в 20 веке.

Рассмотрим, что означают термины «наноструктура» и «наноматериалы». Согласно международной конвенции IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) наночастицами считается все, что имеет размер от одного до ста нанометров. В последнее время это определение связано не с их размером, а с проявлением у них необычных свойств, отличающихся от свойств объёмной фазы, то есть сопоставляют размер наночастиц с корреляционным радиусом того или иного явления.

Наночастицы делят на: кластеры (или нанокристаллы) и собственно наночастицы - важные состояния конденсированной фазы. Кластеры - это частицы упорядоченного строения ( часто центросимметричные) размером 1 - 5 нм, которые содержат до 10⁴ атомов. А наночастицы - это собсвенно наночастицы размером 5 - 100 нм, состоящие из 10³ - 10⁸ атомов. Предполагается, что это плотно упакованные частицы с произвольной внешней формой и структурной организацией.

Наночастицы, имеющие размер менее 10 нм, являются системами с избыточной энергией и высокой химической активностью. Частицы размером около 1 нм почти без энергии активации вступают в процессы агрегации, которые ведут к образованию наночастиц металлов, и в реакции с другими химическими соединениями, приводящие к образованию веществ с новыми свойствами. Запасенная энергия таких объектов определяется нескомпенсированностью связей поверхностных и приповерхностных атомов. Это может привести к возникновению необычных поверхностных явлений и реакций. нанотехнология микроскоп золь ионный

Получение наночастиц из атомов сопровождается двумя процессами: во-первых, формируются металлические ядра разного размера, во - вторых, происходит взаимодействие между частицами, ведущими к созданию из них ансамблей, представляющих наноструктуру.

Все методы получения наночастиц можно разделить на две большие группы. Первая объединяет способы, позволяющие получать и изучать наночастицы, но на их основе трудно создавать новые материалы. Сюда можно отнести конденсацию при сверхнизких температурах, некоторые варианты химического, фотохимического и радиационного восстановления, лазерное испарение.

Вторая группа включает методы, позволяющие на основе наночастиц получать наноматериалы. Это, в первую очередь, различные варианта механохимического дробления, конденсация из газовой фазы, плазмохимические методы и др.

Такое разделение методов является относительно условным, но отражает их особенность: получение наночастиц путем объединения отдельных атомов, или подход «снизу вверх», за которым ученые видят будущее нанотехнологий; и различные варианты диспергирования, или подход «сверху вниз». Первый подход характерен в основном для химических методов получения наноразмерных частиц, второй для физических методов. Получение наночастиц путем укрупнения атомов позволяет рассматривать единичные атомы как нижнюю границу нанохимии. Верхняя граница определяется количеством атомов в кластере, при котором дальнейшее увеличение размера не ведет к качественным изменениям химических свойств.



2. Золь-гель метод получения наноматериалов

Под золь-гель методом понимается совокупность стадий, включающая приготовление раствора прекурсора, последовательный перевод его сначала в золь, а затем в гель за счет процессов гидролиза и конденсации, последующее старение, высушивание и термообработка продукта. Этот метод включает в себя формирование металлооксополимерных цепей - золя или геля из растворимых полигидроксокомплексов, образовавшихся в результате гидролиза металлоорганических комплексных или неорганических соединений. Под золями понимаются высокодисперсные коллоидные системы, которые представлены мельчайшими частицами коллоидных размеров, равномерно распределенными в дисперсионных средах (например, золь - сваренный, но горячий и еще не застывший студень, а гель - уже застывший и готовый к употреблению в качестве закуски ).

Для образования наноструктур важны процессы образования конденсированных форм при гидролизе прекурсоров - стадия, определяющая морфологию и фазовых состав получаемых продуктов.

Универсальными прекурсорами в золь-гель технологии являются алкоголяты металлов, основным достоинством которых является то, что в результате гидролиза не образуется никаких посторонних ионов, а молекулы спиртов могут быть легко удалены путем промывания или термической обработки. Другим достоинством является варьирование скоростей гидролиза и поликонденсации, которые определяются природой алкоксогрупп и концентрацией нуклеофильных агентов, что позволяет точно контролировать процессы гелеобразования. Классический вариант золь-гель метода популярен тем, что получаемые материалы обладают рядом уникальных свойств: высокая химическая однородность получаемых продуктов, позволяющая существенно снизить температуру и продолжительность термообработки, возможность контролировать размер частиц и структуру пор материалов на разных стадиях синтеза. Самое существенное достоинство золь-гель метода - это то, что механические свойства золей и гелей позволяют применять их для получения волокон, пленок и композитов путем нанесения золя на подложку или пропитки пористого материала. Золь-гель метод синтеза наночастиц относительно легко реализуется в лабораторных условиях. Но у этого метода есть серьёзные недостатки: он не обеспечивает монодисперсности частиц; не позволяет получать двумерные и одномерные наноструктуры и контролировать их параметры анизотропии; этим методом нельзя синтезировать пространственно-упорядоченные структуры, состоящие из наночастиц, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга, или параллельных нанопластин с прослойками инертной матрицы; получение требуемых систем невозможно из-за химического взаимодействия прекурсоров или продуктов синтеза с гелеобразующим агентом. Золь-гель технология может быть двух принципиально разных видов:1)получение «химического геля» - гидролиз и поликонденсация алкооксидов; 2) получение «физического геля» - гелирование неорганических золей. Исходными материалами технологии «химического геля» являются алкоксиды металлов или неметаллов, их которых готовится гомогенный спиртовой раствор, из которого методами гидролиза и поликонденсации получают мономеры оксидов. Из этих мономеров получается гомогенный некристаллический гель, из которого за счет термической обработки получаю ксерогель. По технологии «физического геля» готовят гомогенный водный, а не спиртовой раствор солей металлов или неметаллов. Из него получают методом гидролиза аква-, гидроксо-, и оксокомплексы, которые затем переводят в гомогенный коллоидный золь, из которого получают некристаллический гель и аналогично ксерогель.

2.1 Получение «химического геля»

Общая формула алкоксидов M(OR)_Z, где М - Si, Al, Ti, Sn, Zr и т.д.; R - алкильная группа(например,CH₃, C₂H₅, C₃H₇; Z - степень окисления элемента М. Алкоксиды растворяются в какой- то степени в спирте и других органических растворителя. Если спиртовой раствор алкоксида растворить в воде, то происходит гидролиз по схеме:

M(OR)_Z + ZH₂O>M(OH)_Z + ROH

Реакции гидролиза и поликонденсации, протекающие одновременно, приводят к образованию димеров и затем более сложных структур. Результатом процесса поликонденсации алкоксидов являются очень мелкие частицы размеров 3-4 нм (частицы золя), из которых строится трехмерная сетка «химического геля».

2.2 Получение «физического геля»

Совокупность энергетических и структурных изменений, которые происходят в растворе при взаимодействии молекул растворителя с частицами растворенного вещества называется сольватацией ( в случае с водой, как растворителем - гидратацией). Если отсутствуют другие реагенты в растворе, то в качестве лигандов могут выступать аква-(OH) и оксо-(=О) группы. Вероятность превращения аквакомплекса в гидроксо- и оксокомплексы тем больше, чем выше заряд катиона и рН среды.

При координации анионных соединений Х^- обычно происходит замещение других лигандов, устойчивость и образование такого комплекса оценивается на основе реакции диссоциации:

[M(OH)_n(X)(OH₂)_N-n-1]^(Z-n-1)+ +H₂O - [M(OH)_n(OH₂)_N-n]^(Z-n)+ + X^-

Если ион Х^- менее электроотрицательный, чем лиганды Н₂О, то равновесие смещается влево. И тогла ион дает более ковалентную связь, устойчивость которой влияет на процесс гидролиза:

[M(OH)_n(X)(OH₂)_N-n-1]^(Z-n-1)+ +H₂O - [M(OH)_n+1OH₂)_N-n-1]^(Z-n-1)+ + НX.

Комплексы могут при определеннх условиях учавствовать в реакции поликонденсации.Группы, которые учавствуют, разделяют на входящие и исходящие. Аквагруппы всегда являются уходящими и аквакомплексы не склонны к конденсации. А оксо-ионы - это плохие уходящие группы.

С.З.Рогинский и А.И.Шальников разработали эффективный способ получения золей из молекулярных пучков. Этот метод заключается в совместном испарении в вакууме диспергируемого вещества и растворителя. Смешанные пары конденсируются и замораживаются, а потом смесь размораживают и собирают в специально предназначенную емкость. Данный метод обеспечивает получение золей высокой чистоты.

Большое разнообразие медотов получения устойчивых золей связано с использованием различных физико-химических методов, которые достигают поставленной цели.

Ионный обмен чаще всего используется для поглощения анионов и катионов.

Диализ - один из первых физико-химических методов получения золей, который заключается в извлечении из раствора низкомолекулярных веществ чистым растворителем через полупроницаемую перегородку, не пропускающую коллоидные частицы. Его недостаток - это длительность процесса.

Электродиализ заключается в ускорении процесса переноса катионов и анионов через полупроницаемые мембраны под действием электрического поля. Он отличается непрерывностью процесса и возможностью получать концентрированные, практически чистые золи оксидов Si, Al, Sb, Cr, Mn,Sn.

Также для приготовления золей применяются методы диспергации и пептизации. Диспергазией сначала получают осадок малорастворимого соединения, а затем механическими методами измельчают его.Метод пептизации основан в дезагрегации частиц.

Склонность гелей к упорядочению проявляется в процессе старения. При старении продолжается поликонденсация в сетке геля, проявляется сенерезис, наступает огрубление пространственной сетки за счет процессов растворения размеров. Результаты старения проявляются на стадии сушки.

Сушка очень важна в золь-гель технологии, она глубоко изменяет гель и сопровождается большой усадкой, повышением плотности упаковки первичных частиц, уменьшением зазоров между ними и понижением удельной поверхности материалов.



3. Химия золь-гель процесса

Рассмотрим химические процессы, протекающие на основных стадиях золь-гель процесса: приготовления водного раствора хлорида металла; электролиза раствора; гелирования капель золя; отмывки и сушки гель-сфер. Химические процессы при растворении солей TiCl₄, SnCl₄ и ZrOCl₂ в воде и последующем электролизе растворов хлоридов металлов сведем к следующим: гидролиз солей, полимеризация гидроксокомплексов и оксоляция гидроксокомплексов.

3.1 Исследование гидролиза титана (lV) в солянокислых растворах с применением КР-спектроскопии

Для определения ближнего окружения титана и структуры продуктов гидролиза дает ИК- и КР- спектроскопия. На основании ИК- и КР- спектров сделан вывод о шестерной координации титана в присутствии октаэдрических группировок TiO₆ в серно- и солянокислых растворах титана.

Растворы для исследования готовили двумя методами:

1) В определенный объем TiCl₄ ввели небольшое количество воды;

2) TiCl₄ влили в воду или раствор соляной кислоты при интенсивном перемешивании и охлаждении.

Рисунок 1.Спектры КР системы TiCl₄ - H₂O.

В первом случае, когда в TiCl₄ вводили небольшое количество воды, которое недостаточно для полного разложения четыреххлористого титана, образуется светло-желтый осадок, не растворяющийся в жидком TiCl_4.

Разделение фаз не проводится, а снимается спектр двухфазной системы (рис.1, кривые 1,2). А если ввести избыток воды, то осадок полностью растворяется. При этом получается вязкий концентрированный раствор, спектр которого представлен на рис.1,кривая 3. При увеличении количества воды интенсивность линий TiCl₄ уменьшается и в спектре КР раствора, содержащего 9,8 молей Н₂О на 1 моль TiCl₄, указанные линий отсутсвуют. Если в комплексе [TiCl₆]^2- заменить хлор-ионы на лигандыдругой химической природы, то количество линий в спектре КР увеличивается. При исследовании системы TiCl₄-HCl-H₂O методом растворимости получается, что из раствора TiCl₄ при содержании HCl от 36 до 40% кристаллизуются гидроксохлориды состава [Ti(OH)₃Cl₃]^2- и [Ti(OH)₂Cl₄]^2-._.

Рисунок 2. Спектрв КР водных растворов TiCl₄

Широкие линий в спектре указывают на образование твердой аморфной хлоргидроксититановой кислоты или наличие полимеризации титана. На рис.2 представлены спектры КР водных растворов TiCl₄ разной концентрации, полученных растворением TiCl₄ в воде. Спектры сильно изменяются при концентрации TiCl₄ от 3 до 2 моль/л, а при последующем разбавлении характер спектра не изменяется, видно изменение только интенсивности линий.



Рисунок 3.Спектрв КР солянокислых растворов титана и циркония.

На рис.3представлены спектры растворов 3 и 1 моль/л TiCl₄ в соляной кислоте разной концентрации. На рисунках видно,что характер спектров сильно не изменяется при возрастании атомного отношения Cl/Ti в растворе. Это значит, что большое влияние на гидролиз и состояние титана в растворе оказывает его концентрация, а также гидролиз в растворе носит необратимый характер. Наличие в спектре КР раствора TiCl₄ линий в области 850-1000 см^-1 указывает на то, что одним из продуктов гидролиза титана (IV) в солянокислых растворах является анионный комплекс состава [TiO_p]^z-. Шикорие полосы в спектрах говорят о полимерном полимерном характере комплекса [Ti_nO_np]^nz-. Отрицательный заряд титанат иона нейтрализуется ионами водорода с образованием титановых кислот.

Анализ спектров дает возможность рассмотреть механизм гидролиза TiCl₄ в водном растворе. Если добавить небольшое количество воды к TiCl₄, то происходит разложение четыреххлористого титана с появлением гидроксихлортитановых кислот, например по реакции:

TiCl4 + 2H2O = H2[Ti(OH)2Cl4].

Также возможно образование промежуточных продуктов и гексахлортитановой кислоты. Широкие линии в спектрах КР гидроксихлорида титана говорят а полимеризации. Связь в полимерных продуктах осуществляется через Cl^--ионы.

Последующий гидролизгидроксихлорида, как видно из спектров КР на рис.2, связан с образованием гидроксокомплексовв растворе, протекают реакции гидратации:

H2[Ti(OH)2Cl4] + 4H2O = [Ti(OH)2(H2O)4]Cl2 + 2HCl.

Протекание гидролиза гидроксокомплексов происходит с заменой молекул воды на ОН-группы и сопровождением полимеризации. При полимеризации сначала образуется двухядерный комплекс:

OH

? \

[Ti(OH)2(H2O)4]Cl2=[(H2O)3OHTi TiOH(H2O)3]Cl4 + 2H2O

\ ?

OH

Подвергаясь процессам гидролиза и полимеризации, димерные комплексы образуют многоядерные комплексы вплоть до тетрамерных гидроксокомплексов титана. Наиболее интенсивно гидролиз и полимеризация протекают в области концентрации TiCl₄ от 5 до 3 моль/л, это подтверждается уширением и сдвигом линии при 670 см^-1 в область меньших частот в спектре КР с уменьшением концентрации, как показано на рис.2.

Полимеризация и оксоколяция носят необратимый характер. Последовательность превращений соединений титана при гидролизе TiCl₄ в водном солянокислом растворе можно изобразить следующей схемой: тетрахлорид титана - гидроксихлортитановые кислоты - годроксокомплексы - многоядерные гидроксокомплексы - анионные титанкислородные комплексы (титан-ионы) - гидратированный диоксид титана.

При увеличении концентрации соляной кислоты в 1 моль/л растворе TiCl₄ изменяется интенсивность перекрывающийся линий титанкислородных анионных комплексов. Координация ионов кислорода по титану будет разной, сто обуславливает искажение октаэдров и неравнозначность связей Ti-O.

В завершении можно сказать, что полимерные анионные титанкислородные комплексы являются зародышами кристаллической фазы TiO₂. При медленном протекании гидролиза TiCl₄, что имеет место, например, при электролизе его раствора, формируются коллоидные частицы гидратированного диоксида титана со структурой анатаза. Если нейтрализацию кислоты в растворе TiCl₄ проводить быстро, то образуются аморфные продукты. В этом случае мицеллу осадка можно рассматривать как многоядерный оксокомплекс, содержащий аквагруппы и противоионы. Кристаллизация диоксида титанапроисходит внутри таких аморфных частици протекает через анионные титанкислородные комплексы, присутствующие в частицах.

3.2 Образование золя гидратированного диоксида титана при электролизе раствора четыреххлористого титана

Изучение образования золя гидратированного диоксида титанапри электролизе 1моль/л водного раствора TiCl₄ в присутствии 5мол.% ZrOCl₂ происходит с использованием электронной микроскопии,рентгенофазного анализа и спектроскопии КР. Электролиз проводится в однокамерном или трехкамерном электролизере с подачей раствора TiCl₄ в среднюю камеру, отделенную от катодной и анодной камер ионообмедными мембранами. HCl заливается в анодную и катодную камеры.

При электролизе хлоридных растворов титана без стабилизирующих добавок не получаются устойчивые золи диоксида титана с атомным отношением менее 2,0. А при электролизе 1моль/л TiCl₄ в присутствии стабилизирующей добавки циркония образуются более стабильные золи, не наблюдается выделение осадков даже при малой кислотности раствора и длительной выдержке. Стабилизирующее действие циркония обусловлено увеличением заряда коллоидных частиц диоксида титана вследствие положительно заряженных гидроксокомплексов циркония.

Из спектроскопических данных видно, что при электролизе происходит увеличение размеров титанкислородных комплексов, в которых доля внутренних связей Ti-O с характерными для анатаза расстояниями увеличивается и уменьшается доля концевых связей.

На разных этапах электролиза увеличивается степень структурной упорядоченности частиц по мере удаления соляной кислоты. Все полеченные вещества имеют кристаллическую структуру анатаза с незначительным содержанием рутила.

При электролизе раствора TiCl₄ увеличиваются размеры титанкислородных полимерных комплексов и при отношении хлора к титану менее 0,8 образуется гидрозоль с кристаллической структурой частиц. У коллоидных частиц радикально-неоднородная структура.

Золи, у которых отношение хлора к титану мало ( 0,2 - 0,5 ), обладают высокой стабильностью и могут хранится без изменения агрегатной устойчивости годами. Также можно получить устойчивые золи диоксида титана, у которых коллоидные частицы имеют кристаллическую структуру рутила. В этом случае происходит электролиз раствора TiCl₄ в присутствии водного золя диоксида олова касситеритной модификации. Коллоидные частицы диоксида олова имеют кристаллическую структуру типа рутила и выполняют роль «затравок» при кристаллизации диоксида титана и способствуют образованию твердых растворов оксидов титана и олова при электролизе.

В процессе гидролиза , полимеризации и оксоляции происходит образование коллоидных частиц с кристаллической структурой диоксида титана. При быстрой нейтрализации раствора TiCl₄ (при добавлении раствора щелочи) происходит выделение гелеобразных осадков, образованных аморфными первичными частицами. Состав аморфных частиц варьируется ы широких пределах и свойства гидратированного диоксида титана, полученного «гелевым» методом, существенным образом зависят от условий осаждения.

3.3 Образование золя гидроксида циркония при электролизе раствора хлорида циркония

В последнее время в химии водных растворов циркония достигнуты значительные успехи. Ион циркония в твердых солях и водных растворах отсутствует и основной структурной единицей в указанных соединениях является четырехчленный гидроксокомплекс с формулой [Zr₄(OH)₈(H₂O)₁₆]⁸⁺…Cl^-. Поведение циркония в растворе связвно с гидролизом и полимеризацией указанного гидроксокомплекса. Первая стадия гидролиза гидроксокомплекса обратима и сопровождается понижением зарядо до 4⁺:

_H2O

[Zr4(OH)8(H2O)16]8+…8Cl->[Zr4(OH)12(H2O)12]4+…4Cl- + 4HCl.

При приготовлении исходного раствора хлорида циркония практически завершается первая стадия гидролиза. Вторая стадия сопровождается образованием одного нейтрального циркониевого центра в комплексе, являющегося исходной точкой для полимеризации. Полимеризация представляет собой взаимодействие нейтрального центра циркония одного гидроксокомплекса с однозарядным или нейтральным циркониевым центрами другого гидроксокомплекса с формированием диоловой связи. Состав полимерного комплекса изображается так: 4Zr(OH)₄?4Zr(OH)₃⁺…Cl₄. Степень полимеризации характеризуется долей мостиковых ионов циркония.

При растворении ZrOCl₂?8H₂O в воде происходит уширение и сдвиг линий КР тетрамерного комплекса циркония в области низких частот. При электролизе раствора с уменьшением отношения хлора к цирконию мнижается интенсивность линий и линии, уширяясь и сдвигаясь в область низких частот, образуют широкие полосы. С уменьшением отношения хлора к цирконию при электролизе доля мостиковых ионов циркония возрастает, что указывает на полимеризацию гидроксокомплексов по мере удаления соляной кислоты из раствора. При электролизе раствора хлорида циркония до атомного отношения хлорида к цирконию менее 0,6 формируется коллоидный раствор гидроксида циркония с максимальной степенью полимеризации. При дальнейшем снижении отношения полимеризация не происходит, происходит нейтрализация поверхностных хлор-ионов и свободной соляной кислоты и коагуляцией коллоидных частиц.

Химический состав коллоидных частиц можно изобразить выражением mZr(OH)₄nZr(OH)₃⁺…Cl_n-. Ядро частицы состоит из гидроксида циркония, а поверхностный слой образован гидроксихлоридом циркония. Заряды частицы обеспечивают высокую стабильность золя, который может долгое время хранится без изменения агрегатной устойчивости.

Вязкость растворов хлорида циркония в ходе электролиза до отношения Cl/Zr практически не изменяется. При уменьшении этого отношения вязкость возрастает.

Золи гидроксида циркония содержат в составе частицы размером 40-70 и 100-400 нм, которые считаются агрегатами более мелких первичных частиц размером порядка 4-6 нм. Образующиеся при электролизе полимерные комплексы стабильны и сохраняются после высушивания образцов при комнатной температуре.

3.4 Образование золей при электролизе двухкомпонентных растворов хлоридов металлов

Рассмотрим образование золя при электролизе двухкомпонентного водного раствора TiCl₄ и SnCl₄ , содержащего 60 мол.% TiCl₄ и 40 мол.% SnCl₄ с помощью спектроскопии КР. Этот раствор готовят смешением расчетных объемов 1,5 моль/л TiCl₄ и 1,5 моль/л SnCl_4. Затем проводят электролиз в трехкамерном электролизере с подачей раствора в среднюю камеру,отделенную от катодной и анодной камер ионнообменными мембранами. По спектроскопии КР будет видно, что ослабляется интенсивность линий продуктов гидролиза титана и олова в спектре двухкомпонентоного хлоридного раствора по сравнению с аналогичными линиями в спектрах растворов SnCl₄ и TiCl₄ , и это говорит об эффекте взаимного углубления гидролиза компонентов. Также образуются твердые растворы, что свидетельствует о химическом взаимодействии продуктов гидролиза компонентов.

При электролизе раствора TiCl₄ да 15 мол.% формируются коллоидные частицы со структурой анатаза. При электролизе раствора TiCl₄ в присутствии золя гидратированного диоксида олова в количестве более 5 мол.% образуются коллоидные частицы со структурой рутила.

Термическое поведение адсорбентов системы TiO₂ - ZrO₂ в широкой области концентраций компонентов, синтезированных золь-гель методом: при содержании ZrO₂ более 50 мол.% образуются аморфные продукты. Совместное осаждение компонентов из растворов в виде гидроксидов используется для приготовления твердых растворов на основе диоксида циркония. Соосажденный гель гидроксидов можно рассматривать как аморфный твердый раствор, поэтому аморфные продукты, полученные золь-гель методом на основе гидроксида циркония в двухкомпонентных системах ZrO₂-TiO₂ , ZrO₂-Al₂O₃ , ZrO₂-MnO₂ и ZrO₂-Y₂O₃ , можно считать аморфными твердыми растворами. Соответственно при электролизе смешанных растворов хлоридов металлов возможно формирование золей золей аморфных твердых растворов гидроксидов или оксигидроксидов. Электролиз смешанных водных растворов хлоридов можно считать эффективным методом гомогенизации компонентов для приготовления твердых растворов оксидов.



Заключение

В данной курсовой работе рассмотрен способ получения наноматериалов золь-гель методом. Он основан на формировании металлооксополимерных цепей - золя или геля из растворимых полигидроксокомплексов, образовавшихся в результате гидролиза металлоорганических комплексных или неорганических соединений. Именно этим методом можно получить материалы, которые обладают высокой химической однородностью получаемых продуктов, благодаря которой можно снизить температуру и продолжительность термообработки. Также с помощью этого метода проще контролировать размер частиц и структуру пор материалов на разных стадиях синтеза. Вещества, полученные золь-гель методом используются для получения пленок и волокон.

В конце своей работы хочется отметить, что общая тенденция развития техники и технологии направлена на снижение материалоемкости и энергоёмкости процессов, аппаратов и технологий, поэтому проблема нанотехнологий в настоящее время является актуальной во всем мире. Но, к сожалению Россия отстает в развитии этого направления, так как не хватает финансовых вложений, и работа ведется на устаревшей аппаратуре. Например, в США создаются правительственные программы по вовлечению частного капитала для разработки наноматериалов. Русский академик Панин отметил, что беда в том, что мы торопимся, а кадров нет, нанотехнологиями занимаются люди других специальностей, уже со своим багажом знаний. И, тем не менее, работы по изучению и открытию новых свойств наночастиц ведутся очень интенсивно.



Список литературы

1. Алфимова, М.М. Занимательные нанотехнологии / М.М. Алфимова. - М.: Парк-медиа: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2011. - 96 с.

2. Введение в нанотехнологию : учебник / В.И.Марголин [ и др. ]. - СПб. - Издательство «Лань», 2012. - 464 с.

3. Елисеев, А. А. Функциональные наноматериалы / А.А.Елисеев, А.В. Лукашин; под ред. Ю.Д. Третьякова. - М. ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 456 с.

4. Сергеев Г. Б. Нанохимия / Г. Б. Сергеев. - М. : изд-во МГУ, 2003. - 286 с.

5. Старостин, В.В. Материалы и методы нанотехнологий : учебное пособие / В.В.Старостин. - 2-е изд. - М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. - 431 с.

6. Шарыгин, Л.М. Золь-гель технология получения наноматериалов. / Л.М.Шарыгин. - Екатеринбург : УрО РАН, 2011. - 46 с.

Размещено на Allbest.ru

...