溶胶凝胶法

溶胶－凝胶法就是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，形成三维网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。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1。

简介1846年，法国化学家J.J.Ebelmen发现正硅酸酯在空气中水解时会形成凝胶，从而开创了溶胶-凝胶（Sol—Gel）化学的新纪元。所谓溶胶-凝胶法是以金属烷氧化物为先驱体，通过这种先驱体的水解与缩醇化反应形成溶胶，最后通过缩聚反应形成凝胶制品的一种方法。这是一种制备金属氧化物材料的湿化学方法。由于该法在制备高分散性多组分材料（如多组分陶瓷、有机一无机杂化材料）方面所具有的独特的优点，所以溶胶-凝胶化学，特别是过渡金属醇盐的溶胶一凝胶化学受到研究人员的广泛重视2。

发展历史1846年法国化学家J.J.Ebelmen用SiCl4与乙醇混合后生成四乙氧基硅烷（TEOS），发现在湿空气中发生水解并形成了凝胶。

20世纪30年代W.Geffcken证实用金属醇盐的水解和凝胶化可以制备氧化物薄膜。

1971年德国H.Dislich报道了通过金属醇盐水解制备了SiO2-B2O-Al2O3-Na2O-K2O多组分玻璃。

1975年B.E.Yoldas和M.Yamane制得整块陶瓷材料及多孔透明氧化铝薄膜。

80年代以来，在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料以及传统方法难以制得的复合氧化物材料得到成功应用2。

基本原理将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中，形成均匀的溶液，然后加入其他组分，在一定温度下反应形成凝胶，最后经干燥处理制成产品。

化学过程溶胶－凝胶法的化学过程首先是将原料分散在溶剂中，然后经过水解反应生成活性单体，活性单体进行聚合，开始成为溶胶，进而生成具有一定空间结构的凝胶，经过干燥和热处理制备出纳米粒子和所需要材料。

其最基本的反应是：

（1）水解反应：M(OR)n + xH2O → M (OH) x (OR) n－x + xROH

（2）聚合反应：－M－OH + HO－M－ → －M－O－M－+H2O

－M－OR + HO－M－ → －M－O－M－+ROH

从反应机理上认识，这两种反应均属于双分子亲核加成反应。亲核试剂的活性、金属烷氧化合物中配位基的性质、金属中心的配位扩张能力和金属原子的亲电性均对该反应的活性产生影响。配位不饱和性定义为金属氧化物总配位数与金属的氧化价态数的差值，它反映了金属中心的配位扩张能力2。

分类溶胶-凝胶法按产生溶胶凝胶过程机制主要分成三种类型：

（1）传统胶体型。通过控制溶液中金属离子的沉淀过程，使形成的颗粒不团聚成大颗粒而沉淀得到稳定均匀的溶胶，再经过蒸发得到凝胶。

（2）无机聚合物型。通过可溶性聚合物在水中或有机相中的溶胶过程，使金属离子均匀分散到其凝胶中。常用的聚合物有聚乙烯醇、硬脂酸等。

（3）络合物型。通过络合剂将金属离子形成络合物，再经过溶胶．凝胶过程成络合物凝胶2。

优点溶胶－凝胶法与其它方法相比具有许多独特的优点：

（1）由于溶胶－凝胶法中所用的原料首先被分散到溶剂中而形成低粘度的溶液，因此，就可以在很短的时间内获得分子水平的均匀性，在形成凝胶时，反应物之间很可能是在分子水平上被均匀地混合。

（2）由于经过溶液反应步骤，那么就很容易均匀定量地掺入一些微量元素，实现分子水平上的均匀掺杂。

（3）与固相反应相比，化学反应将容易进行，而且仅需要较低的合成温度，一般认为溶胶一凝胶体系中组分的扩散在纳米范围内，而固相反应时组分扩散是在微米范围内，因此反应容易进行，温度较低。

（4）选择合适的条件可以制备各种新型材料2。

方法缺点溶胶一凝胶法也存在某些问题：

（1）所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；

（2）通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几天或几周；

（3）凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩。

重要应用金属化合物经溶液、溶胶、凝胶而固化，再经低温热处理而生成纳米粒子。其特点反应物种多，产物颗粒均一，过程易控制，适于氧化物和Ⅱ～Ⅵ族化合物的制备。

溶胶一凝胶法作为低温或温和条件下合成无机化合物或无机材料的重要方法，在软化学合成中占有重要地位。在制备玻璃、陶瓷、薄膜、纤维、复合材料等方面获得重要应用，更广泛用于制备纳米粒子。

具体应用领域：

①材料学：高性能粒子探测器，隔热材料，声阻抗耦合材料，电介质材料，有机-无机杂化材料，金属陶瓷涂层耐蚀材料，纳米级氧化物薄膜材料，橡胶工业

②催化剂方面：金属氧化物催化剂，包容均相催化剂，

③色谱分析：制备色谱填料，制备开管柱和电色谱固定相，电分析，光分析2。

本词条内容贡献者为:

黄伦先 - 副教授 - 西南大学