D组溶胶-凝胶法制备PEOV2O5薄膜

1、溶胶 - 凝胶法制备 PEO/ V2O5 薄膜课程设计教学大纲课程编号 ： 05414001课程总学时 ：1 周课程总学分 ： 1设计总学时 ： 40面向专业 ：材料科学与工程本大纲主撰人 ：郑举功一、课程设计的任务和基本要求：（一）课程设计的任务查阅有关溶胶 -凝胶法制备 PEO/ V 2O5 薄膜的制备工艺和性能检测的资料，应用实验所提供的原料，分析原料特点设计合理的工艺流程制备制备PEO/ V 2O5 薄膜，工艺流程包括原料悬浮液制备、前驱体制备、凝胶制备。（二）课程设计基本要求1、 了解淬冷法制备V 2O5 溶胶的基本原理及特点2、 掌握溶胶 -凝胶法制备薄膜的基本方法3、 完成课程设

2、计报告二、设计原理和依据：1、层状化合物介绍层状结构的化合物中，层内存在强烈的共价键作用，层间则是一种弱的相互作用力。在电中性层时， 这种相互作用一般是范德华力；在电正性或电负性时， 则是弱的静电力。在一定条件下，某些物质（原子、 离子或分子） 可以克服层状物质各层之间的作用力而可逆的插入层间空隙， 不破坏其原有的层状结构， 这种作用称为夹层作用， 形成的化合物称为夹层化合物。其中把层状物质形象地称为主体，而把插入的物质称为客体。夹层化合物形成后，性质往往发生很大的改变， 有时甚至是质的飞跃。 近来，人们有意识地将一些功能性的客体，如电导率较大的有机给体、 分子二阶极化率 值大的发色团、 催化

3、剂前体、 光敏剂等引入夹层化合物中， 产生了一些十分有用的性质。 夹层化合物在电学、 磁学、非线性光学、 光化学、催化等诸多方面都显示了其优良特性，正成为一类新的多功能材料。常见的层状金属氧化物有： V 2O5、MoO 3 和 WO 3等 4-6 ，这些氧化物往往具有特殊的功能性， 如半导性、电致变色等性质。这些氧化物层往往具有较强的氧化性，能与多种聚合物发生氧化还原作用，因而能将聚合物嵌入层间。如在V 2O5 干凝胶中，聚合物嵌入层间时V 2O5· nH2O 层结构基本不变，仅d001 值增大。其结构示意图如图1.1所示 7 。在这类嵌入的纳米复合材料中，由于无机物夹层是一种受限体

4、系，聚合物分子被束缚在无机物夹层中，分子链的转动和平动以及链段的运动都受到极大的阻滞，所以聚合物的玻璃化温度往往大大提高甚至消失 8 ，相应改善了体系的热稳定性。V 2 O5· nH2OV 2 O5· nH2O13.2 ?V 2 O5· nH2O图 1 PEO 嵌入 V 2O5· nH2O 的结构示意图同时，层间聚合物链段的不规整排列降低了其结晶度，使其保持高度的无定形态，从而提高离子在层间的传递能力。另外，氧化物层通常带负电荷，有效避免夹层中阴离子的嵌入，减少体系中阴阳离子对、离子束的形成，增强盐的解离能力。因而可望在电致变色器件以及全固态电池等方面获

5、得广泛应用。2、 V 2O5 溶胶形成过程及原理晶态 V 2O5 熔融淬冷于水后，形成 VO(OH) 30 的中性先驱体。 由于溶剂H2O 中 OH 基团的强电负性，使得VO(OH) 3 0 先驱体发生配位扩充，表示如下：VO (OH)302H 2OVO(OH )3(OH 2) 20图 2 V 2O5 溶胶的形成过程钒原子由此变为 6 配位，沿着 Z 轴与短的 V=O 双键相反的方向与一个水分子配位，另一个水分子在赤道平面内与一个OH 基团相对。 V O 键在 X 和 Y 轴方向并不相当。因此，缩凝沿 H 2O V OH 方向上通过氢氧桥键合快速的进行，因为此处存在着OH 基团和一个易脱去的

6、H 2O 分子。从而导致氢氧桥键合的链状聚合体的形成。H2O VOH H2O V OH H2O V OH V OH H2O缓慢的氧化氢氧桥键合（ Oxalation ）反应将不稳定的 2 (O)1 桥变成稳定的3 (O)1 桥，从而形成双链。 由最后的 OH 基团参与的进一步氧化氢氧桥键合将这些双键联结在一起，从而形成长纤维状链，如图 2.3所示。3、浸镀法制备薄膜在玻璃、金属或塑料基底上制造涂层薄膜可以说是溶胶-凝胶法迄今为止最为成功也最有前途的应用。 涂层薄膜能改进基底的某些性质如机械性质或其他物理化学性质，亦能赋予基底新的功能。各种保护膜、导电膜、介电膜、光学吸收、反射和增透膜、着色和变

7、色膜以及催化剂摘体、载体膜。涂层薄膜的制备方法有浸镀法和甩胶法，前者设备简单、操作方便，基底两面可一次同时涂膜，使用较多。薄膜的厚度可通过溶胶粘度和提拉速度调节，一般为0.1m以下，多次反复浸镀可得厚膜三、实验材料1试剂： V 2O5 为上海化学试剂厂生产分析纯的化学粉末试剂（99.5%），分子量为 181.88克/摩尔，熔点 690。聚氧乙烯 （ PEO）原料是美国 Aldrich 化学公司生产的化学试剂粉末，平均分子量为 40 万，单体分子量为 44，PEO 粉末是结晶度很高的半晶态物质。其XRD 图谱显示两个最强峰的 d 值分别为 4.63? 和 3.82? 。PEO 的 DSC 曲线显

8、示 PEO 的熔融开始温度 66，熔融温度为 70。2玻璃仪器：坩埚、烧杯、量筒、载玻片3仪器：磁力搅拌器、万分之一天平、管式气氛炉、高温炉、电炉、过滤仪器、镀膜提拉装置四、实验过程1 V 2O5 溶胶的合成称取 20 克分析纯V 2O5 粉末，置于坩埚中。在高温炉中升温至800，保温10 分钟，使其充分熔融。 然后迅速将其急淬于冷水中，并快速搅拌均匀。然后在电炉上加热使其充分溶解，用滤纸将溶液过滤两次。最后将过滤后溶液静置1 天。合成步骤如图2.2 所示。V 2O5 粉末800 ,10min熔融 V2O5淬冷于水悬浊液过滤静置陈化V 2O5 溶胶溶胶先驱体经过静置后，形成棕红色V 2O5 溶

9、胶，该溶胶的稳定性较强，可以放置数月甚至几年。2 PEO-V 2O5 干凝胶纳米复合薄膜的合成合成 PEO V 2O5 干凝胶纳米复合体系所用的V 2O5 溶胶是前一节制备的 V 2O5 溶胶。通过计算，此溶胶的浓度为0.11mol/L 。按摩尔比（ PEO： V 2O5）为 0.5： 1， 1： 1， 2： 1 分别称取三份 PEO，加 40ml 水配成溶液。将此溶液缓慢混入100ml V 2O5 溶胶中，在磁力搅拌机上充分搅拌均匀，形成混合溶胶。将此溶胶静置一周。由此可制得不同组成的PEO V 2O5 混合溶胶。清洗载玻片，方法是用酸液浸泡水洗无水乙醇洗干燥。采用简便易行的提拉法制备均匀的PEO V 2O5 干凝胶复合薄膜。其步骤如下：将表面洁净的基片以0.6mm/s 速度垂直插入PEO V 2O5 混合溶胶中，让其静置 15 分钟以达到表面吸附平衡，然后以 0.6mm/s 速度匀速地将基片提拉出来， 并置于空气中干燥。 薄膜置于空气中干燥时，薄膜中的部分水脱去， 薄膜发生凝胶化。 最后将干燥后的薄膜置于管式气氛炉