Химические методы. Золь-гель метод

Золь-гель метод

Преимущества:
Высокая реакционная способность к нулеофильным частицам
При гидролизе не образуется побочных продуктов
Возможность влиять на скорость реакции
Синтез при низкой температуре
Легко реализуется а лаборатории
Недостатки:
Большой разброс по дисперсности
Нельзя получить одномерные и двухмерные структуры
Нельзя получить упорядоченные структуры
Может идти взаимодействие с гелеобразующим агентом
Золь-гель метод: гидролиз алкоксидов Ме

Основан на гидролизе алкоксидов
Me(OR)n + H2O → HO-Me(OR)(n-1) + ROH
При гидролизе происходит образование димера
(RO)3MeOH + OHMe(OR)3 → (RO)3Me-O-Me(OR)3 +Н2О
Золь-гель метод: гидролиз алкоксидов Ме

На скорость гидролиза и структуру получаемых частиц (размер, содержание гидроксильных групп, пористость) влияет:
Природа атома металла
Природа алкоксильной группы
Кислотность среды
Концентрации реагентов
Температура

Природа металла:
Атомы переходных металлов более активны по отношению к реакциям нуклеофильного замещения, благодаря перекрыванию d- орбиталей Ме с p-орбиталью кислорода. При увеличении заряда на Ме, скорость реакции увеличивается.

Природа алкоксильной группы:
Разветвленный углеводородный остаток молекулы алкоксида создает пространственные затруднения для образования олигомеров.
<

Кислотность среды:
Кислотный катализ
Чем более отрицательный заряд на кислороде, тем быстрее реакция
При кислотном катализе больше увеличивается длина цепи, а не разветвленность

Кислотность среды:
Основной катализ
Чем более положительный заряд на металле, тем быстрее реакция
При основном катализе больше образуется разветвленных структур

Влияние растворителя:
Молярное соотношение H2O/(C2H5O)4Si в зависимости от целей
синтеза меняется от 1:50 до 1:0,01.

Золь-гель метод: получение монолитных образцов
ΔР – капиллярное давление
D – диаметр пор
Θ – краевой угол смачивания
γ – поверхностная энергия

Золь-гель метод: использование солей металлов
Два раствора: (1) тетрабутоксид титана в пропаноле-2 и (2) ацетат свинца в ледяной уксусной кислоте. Растворы сливают вместе, тщательно перемешивают и для инициирования гидролиза добавляют водный раствор изопропанола-2. В некоторых случаях к образующемуся прозрачному золю добавляют порошок титаната свинца, который играет роль центров роста геля. Гель высушивается и после прокаливания при 400 оС в течение 20 часов получается полностью кристаллическая фаза.

YBa2Cu3O7
Золь-гель метод: использование солей металлов
Ацетаты иттрия, бария и меди (II), рН =6, на водяной бане при 60 оС. В течение 3 суток образуется голубой гель, при прокаливании которого при 900 оС получают образцы сверхпроводящей керамики.

Золь-гель метод: металл полимерные гели
Полимер увеличивает вязкость среды, замедляет реакции гидролиза солей и тем самым способствует образованию золей и их пептизации. Среди растворимых в воде полимеров наибольшее распространение получили поливиниловый спирт (ПВС), полиэтиленимин, полиэтиленгликоль.

В результате реакции соли металла с лимонной кислотой образуется комплексное соединение металла. При добавлении этиленгликоля к полученному раствору в результате протекания реакции этерификации образуется полимер – густой прозрачный гель.
Золь-гель метод: Метод Перчини

Преимущества:
Метод позволяет синтезировать нанокристаллические порошки прокаливанием геля при более низкой температуре, чем при стандартном твердофазном спекании оксидов или карбонатов.
Нанопорошки слабо агломерированы.
Материалы характеризуются большим объемом пор.
Прокаленный порошок хорошо размалывается
Ограничения:
Образование осадков из-за низкой растворимости исходных материалов или их склонность к гидролизу (Nb, Ta).
ОВР между органическими компонентами геля и ионами металлов (Сu).
Улетучивание одного из компонентов во время выгорания геля (Hg, Pb).
Образование промежуточных термодинамически устойчивых фаз.
Получают:
сверхпроводниковую керамику систем типа Bi-Sr-Ca-Cu-O, ферромагнитные шпинели, люминесцентные материалы.

Золь-гель метод: синтез неоксидных наночастиц
Реакции нитридизации аммиаком ксерогеля SiO2
Адсорбция аммиака NH3 газ → NH3 адс
Диссоциативная хемосорбция аммиака
≡Si-OH +NH3 → ≡SiNH2 + H2O
≡Si-OR + NH3 → ≡SiNH2 + ROH
3. Конденсация аминогрупп
≡SiNH2 + ≡SiNH2 → ≡Si-NH-Si≡ + NH3
≡Si-NH-Si≡ + ≡SiNH2 → + ≡SiNH2 → ≡Si-N(Si≡)-Si≡ + NH3
Получение нитридов титана:
NH3 ↔ 1/2N2 +3/2H2
2TiO2 + H2 → Ti2O3 + H2O
Ti2O3 + 2NH3 → 2TiN + 3H2O
Нитриды Al, Nb, W
Получение волокна из нитридов в качестве наполнителей композитных материалов

Золь-гель метод: Синтез фторидов металлов
La(CF3COO)3 → LaF3 + (CF3CO)2O + CO + CO2
Фториды щелочных, щелочноземельных и редкоземельные металлов, BaMgF2 или SrAlF5. При нагревании от 500 до 800 оС образуются оксифториды, например LaOF.

Золь-гель метод: нанесение тонких пленок центрифугирование
Важно избегать попадания на подложку крупных частиц - используют фильтр
Уменьшение толщины пленки жидкости замедляется, когда сила трения жидкости равна центробежной силе, процесс зависит от вязкости жидкости, ее поверхностного натяжения и скорости вращения подложки
На скорость испарения влияют концентрация золя, вязкость раствора и скорость вращения подложки.

Золь-гель метод: нанесение тонких пленок вытягивание
Вытягивание. Чем выше вязкость раствора и концентрация наночастиц, тем больше толщина пленки.
Сушка. Структура пленки зависит от испарения, уплотняющего пленку, и реакции конденсации, которая приводит к упрочнению структуры пленки и повышает ее сопротивляемость уплотнению.
Уплотнение пленки в зависимости от состава и назначения проводят при температуре от 200 до 600 оС в течение 30 – 60 мин. На этой стадии происходит кристаллизация пленки, удаление побочных продуктов и уплотнение структуры. Увеличение температуры отжига приводит к росту размеров нанокристаллов и уменьшению толщины пленки.

Преимущества:
Дешевый и простой.
Пленки можно наносить на поверхности сложной формы,
Можно создавать покрытия от сверхтонких до покрытий толщиной в десятки мкм.
Состав пленки можно изменять, вводя в раствор требуемые добавки.
Низкая температура процесса, можно наносить на кремниевые микросхемы.
Ограничения:
Сложно получить стабильный золь, содержащий наночастицы заданного и воспроизводимого размера.
Алкоксиды многих металлов достаточно дорогие
Возникновение трещин на стадии гелеобразования и уплотнения. Без трещин могут быть получены лишь пленки субмикронной толщины, обычно менее 0,1 мкм.
Получают:
Плотные и пористые пленки, применяемых в качестве просветляющих покрытий, защитных и изолирующих слоев, газовых сенсоров, биосовместимых покрытий.