超疏水型纳米sio

超疏水型纳米sio

sio2ec凝胶是一种环保、纳米多孔多晶态材料，具有许多优异的性能。例如，具有高孔孔隙率（99%）、低密度（0.3g/cm3）、大粒径（16000ms）、低热导率（0.02w/（m））、低声速（100ms）、低破碎率（1.01和1.10）等。因此，sio2ec凝胶具有广阔的应用前景，抗泡沫和材料的多态性驱动器、催化剂和催化剂的传输方式、高效的隔热材料和高性能的可充电电池制造具有广阔的应用前景。同时，作为一种吸附剂，它也用于处理废水处、净化和处理器官废物。目前，国内外制备SiO2气凝胶通常都以硅酸酯或水玻璃为原料，采用溶胶–凝胶法，经超临界干燥制得。但是超临界干燥设备要求高，存在不安全因素等，且所得气凝胶容易吸收水分而大大影响其性能，大规模应用受到很大制约，因此，用常压干燥替代超临界干燥，采用酸–碱两步催化快速制备出超疏水型SiO2气凝胶显得十分重要。实验以硅酸酯为原料，采用常压干燥制备了在可见光区光透过率高的薄片状超疏水型SiO2气凝胶(接触角>150°)，在悬浮型和可回收型光催化剂的制备中具有很好的应用前景。1实验1.1反应物溶液5.2以正硅酸乙酯(tetraethylorthosilicate,TEOS)为前驱体，乙醇(EtOH)为溶剂，以草酸(oxalicacid)和氨水(NH3·H2O)进行两步催化，保持n(TEOS):n(EtOH):n(oxalicacid):n(NH3·H2O)=1:4:5:0.2(摩尔比)，其中草酸为0.008mol/L的水溶液，氨水浓度为0.05mol/L。所制备的SiO2湿凝胶经多步溶剂交换和表面改性，采用溶胶–凝胶法常压干燥得到超疏水型SiO2气凝胶。首先，按上述计量比将TEOS,EtOH和0.008mol/L的草酸混合于烧杯中，密封后置于水浴中，在搅拌下水解12h后逐滴加入氨水；待凝胶形成后，立即加入一定量的无水乙醇，在36h内交换凝胶中的水3次；再用一定量正己烷在36h内交换凝胶中的乙醇3次，经干燥制备出未经改性的SiO2气凝胶。其次，将经溶剂交换、老化后的湿凝胶浸入体积比为1:4的六甲基二硅胺烷(hexamithyldisilazane,HMDZ)/正己烷混合溶液中，在50℃进行表面改性，24h后加入一定量的正己烷在24h内交换未反应的改性剂2次。最后用带针孔的铝箔密封好试管后，放在烘箱中常压下进行分级干燥，得到改性的SiO2气凝胶。1.2sio2气凝胶的表征利用XL30–ESEM型环境扫描电子显微镜(enviromentalscanningelectronmicroscope,ESEM)观察气凝胶形貌，加速电压为25kV，经表面喷金处理后，在一定放大倍数下观察样品的表面形貌。利用德国Dataphysics公司OCA20视频接触角测定仪测定样品的接触角。用菲利浦公司TECNAI–12型透射电镜(transmissionelectronmicroscope,TEM)，加速电压为120V，观测气凝胶的表面孔结构和粒径分布。用美国Nicolet公司的NEXUS470Fourier变换红外光谱(Fouriertransforminfraredspectrometer,FTIR)仪，以KBr压片法测定样品的FTIR光谱。利用Quntachrome公司NOVA2000型测试仪测定气凝胶比表面积和孔径分布(温度为77K，吸附介质为N2)。通过日本RigakuD/Max–γA型X射线粉末衍射(X-raydiffraction,XRD)仪进行物相组成分析。根据质量和体积比得到SiO2气凝胶堆密度。孔体积Vp=(1/ρb–1/ρs)，孔隙率p=(1–ρb/ρs)×100%(其中：ρb是SiO2气凝胶的堆密度；ρs是SiO2气凝胶的骨架密度)。折光指数X=1+0.19ρb。体缩率v=[(V1–V2)/V1]×100%(其中：V1是醇凝胶的体积；V2是气凝胶的体积)。2结果与讨论2.1漂浮型催化剂载体的制备表1为SiO2气凝胶的物理特性。制备出的SiO2气凝胶经改性后，堆密度、体积收缩率和折光系数与改性前相比都有显著降低，孔体积、孔隙率、比表面积均明显增加，并且在可见光区光透过率高，因此可以用作漂浮型催化剂的载体，特别是用作可见光光催化剂载体。2.2水解有机凝胶的疏水性SiO2气凝胶经HMDZ改性后，表面的羟基被非水解有机基团所取代，因此表现出疏水性。图1是SiO2气凝胶表面的水珠照片。由图1可见：SiO2气凝胶表面水珠的接触角为152.1°，表现出超疏水性。2.3介孔sio2气凝胶图2为疏水SiO2气凝胶的SEM照片。从图2可知：所得的SiO2气凝胶是具有连续网络结构多孔纳米材料，其骨架疏松，孔洞尺寸在10～20nm之间。由此说明采用正硅酸乙酯为原料，通过溶剂交换和表面改性，成功地在常压条件下制备了介孔SiO2气凝胶。图3为疏水SiO2气凝胶的TEM照片，由图3可见：SiO2气凝胶样品的粒子分布非常均匀，平均粒径约为5nm，经测量堆密度为0.3503g/cm3，说明该样品是轻质纳米材料。2.4hmdz改性利用孔径分布及比表面积测试仪测量SiO2气凝胶孔径分布和比表面积以及吸附–脱附曲线(见图4)。测得SiO2气凝胶的比表面积为765.27m2/g，比采用其他方法制备的气凝胶的比表面积大。从图4中可以看出：经HMDZ改性后，SiO2气凝胶孔径分布在5～32nm之间，平均孔径为12.24nm，是典型的介孔材料。图5是样品对N2的吸附–脱附等温线，该曲线为典型的Ⅴ类等温线，说明SiO2气凝胶具有多孔结构，这与气凝胶是由SiO2纳米颗粒聚结而成的多孔固体结构特征相符合。2.5表面改性前后sio2气凝胶的疏水性变化图6是改性前后SiO2气凝胶的FTIR光谱。由图6可知：1100,800cm–1和470cm–1的吸收峰分别代表Si—O—Si的反对称伸缩振动、对称伸缩振动和弯曲振动，表面改性前后没有发生明显变化；在3500cm–1附近出现的吸收峰是羟基的特征吸收峰，经表面改性后，强度明显降低；而在2980cm–1和1450cm–1处出现了C—H的吸收峰，在850cm–1处出现了Si—C的吸收峰；SiO2气凝胶表面残留的Si—OH是亲水性的主要来源，Si—OH的残留量越少，SiO2气凝胶的疏水性越好。经表面改性后，SiO2气凝胶表面的羟基被甲基所取代，从而使SiO2气凝胶呈现出疏水性。2.6非晶衍射峰图7是SiO2气凝胶的XRD谱。由图7可知：改性前样品仅在20°～25°的低衍射角区出现了1个很强的单峰，即非晶衍射峰，由此可知，该粉末是无定型结构。经表面改性后，仍在该低衍射角区出现了很强的单峰，只是强度有所降低，说明经六甲基二硅胺烷改性后，仍为无定型(非晶)结构。3凝胶超疏水性(1)以TEOS为原料，采用乙醇为溶剂，通过酸–碱两步催化溶胶–凝胶法合成了SiO2醇凝胶，然后通过溶剂交换和表面改性，常压干燥制备了SiO2气凝胶，与水接触角为152.1°，表现出超疏水性。(2)当n(TEOS):n(EtOH):n(o