二氧化硅胶体颗粒的制备及其形成机理的研究

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近年来,胶体晶体引起化学家和物理学家的共同关注。占据各晶点的纳米或微米级微粒的自组装行为在原子力显微镜和扫描电子显微镜下可被清晰地观察到,因此能作为研究晶体相变的模型,并有助于人们加深对晶体中点缺陷、晶界及位错等现象的了解。胶体晶体所具有的周期性结构更使其在光学研究领域具有特殊意义,被称为“光子晶体”(photonic crystal),可将其应用于光电开关及光催化方面。在材料研究领域,胶体晶体可作为微孔和介孔材料的生长模板来制备多层次的孔状材料,如表面催化剂、吸收剂、色谱材料、轻质材料和过滤膜等。制备出优良的单分散胶体颗粒是构筑高度有序的二维或三维胶态晶体的前提,简单可重复的单分散胶体颗粒的制备越来越引起人们的关注。在过去的几十年,已有大量的工作对单分散二氧化硅胶体颗粒地成核及生长机理进行了深入地研究,提出了多种生长模型,但目前还没有一种机理能够解释所有的实验现象。本文对St(?)ber法制备二氧化硅胶体颗粒和体系中电解质添加后的影响作了一些探索性的研究工作,并取得了一些有益的实验结果:1.在醇水混合溶剂中以氨作催化剂,正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,通过TEOS水解和缩聚反应来制备单分散二氧化硅球形颗粒,研究各种反应条件如硅源浓度、水的浓度及水解温度对二氧化硅的颗粒大小和形貌的影响。结果显示:硅源浓度越大,颗粒尺寸越大,随着水的浓度的增加颗粒尺寸先增加后减小,颗粒尺寸出现一个峰值,反应温度升高颗粒尺寸变小。并由此对二氧化硅颗粒的形成机理展开了讨论。2.通过重力沉降实验,可见—紫外透射光谱,原子力显微镜、扫描电镜图象,动态光散射粒度分布数据,zeta电位测定等多种物理化学表征手段对两组不同二氧化硅胶体颗粒样品的粒径,颗粒形貌,尺度分布,表面电位,组装后排列特征,及光学性质进行了系统全面的研究和比较。3、研究了电解质添加对St(?)ber法制备二氧化硅胶体颗粒的粒径、单分散度、形貌的影响。比较了NaCl,MgCl2在不同浓度时的影响作用。以往经典St(?)ber法制备二氧化硅胶体颗粒尺寸一般为150nm~800nm,而电解质添加后较高的离子强度背景体系中,提高了颗粒的表面电位,对粒子生长具抑制作用,产物颗粒尺寸明显减小,MgCl2在浓度0.4×10-4mol·L-1最小可至60nm。电解质添加还会破坏产物单分散度,在较高浓度时会造成多尺寸和颗粒团聚。并且发现电解质在很低浓度时即能对颗粒形貌产生严重影响。产物为不完全对称,不规则的球形,而非原来的完美球形。在0.6×10-4mol·L-1浓度时球形略有不太规则,只是表面有些小的起伏,基本还是呈高度对称的。在浓度0.8×10-4mol·L-1时表面突起和不规则表现得非常明显。这说明电解质添加后,体系中亚结构颗粒表面双电层压缩,在浓度较大时,成核过程比原先未加电解质时提前爆发,一次成核阶段延长,电解质浓度略高时甚至有两次成核或更多次的成核阶段,颗粒生长更快,且扩散控制生长时间延长,导致颗粒形状的不规则。
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