氧化锆气凝胶的制备+文献综述(2)

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3.4 凝胶因素分析 24

3.4.1环氧丙烷对凝胶效果的影响 24

3.4.2甲酰胺对凝胶效果的影响 24

3.4.3醇水比对凝胶效果的影响 24

4结论与展望 26

4.1 结论 26

4.2 展望 26

致谢 27

附录 29

1文献综述

1.1 课题背景

气凝胶是入选吉尼斯世界纪录中最轻的一类物质，之所以称之为气凝胶是因为其内部有许多孔隙并且充满了空气。气凝胶以其独特的形态结构而具有许多优良的特性，在多个领域都有广阔的应用前景。最早的气凝胶是1931年由美国斯坦福大学Kistler[1]用溶胶-凝胶法制得的，外号“凝固之烟”。

气凝胶是一种极轻的固体材料，其原因可以从微观上来解释，即它的结构是是由胶体粒子聚集构成的纳米多孔网络结构，在气凝胶内部大量的孔隙中充满了气态分散介质，所以它也是一种高分散固态材料，其固体相和孔隙都是纳米量级孔隙率可达到80-99.8％，孔洞尺寸在1-100nm之间[2,6]，大量的内部孔隙使得多孔金属材料气凝胶具有许多优异的特性，如比表面积大、热导率低、散热好、吸声性和渗透性优、能量吸收性好、比重小等。气凝胶呈现半透明的胶状，表面上看起来不堪一击，但实际上非常坚固，这就是气凝胶的与众不同之处。迄今为止，已研制出的气凝胶有单相气凝胶（如SiO2、Al2O3、TiO2、ZrO2等）、多相气凝胶（如A12O3/SiO2、TiO2/SiO2、等）、有机气凝胶(如RF、PF、MF等)和碳气凝胶[4]。

本论文的研究内容为制备单相气凝胶——ZrO2气凝胶。首次成功制备出ZrO2气凝胶是在1976年，之后便吸引了许多研究人员来制备和研究，成为了研究气凝胶领域的热点之一[3]。为了成功制备出高质量的氧化锆气凝胶，研究者探索了各种制备及干燥方法。ZrO2性能稳定且具有良好的催化性能，气凝胶具有弹性大、吸附能力强、孔隙率高、比表面积大等特性，而ZrO2气凝胶集ZrO2和气凝胶于一身，同时具有两者的优良特性，拥有诱人的研究前景[5,6,7]。氧化锆气凝胶在催化、刀具、燃料电池、耐火材料等各个方面都有非常广泛的应用[6]，这体现了氧化锆气凝胶在力学、热学、光学、电学、声学等上的优良性能[2]。

1.2 氧化锆气凝胶的发展概况

1931年美国斯坦福大学的Kistler[1]用溶胶-凝胶法制得世界上首个气凝胶，历经近四十年后，即1976年才首次制备出了氧化锆气凝胶，这是由Teichner等[8]制备出的，这为研究及制备氧化锆气凝胶拉开了序幕，引起了气凝胶研究者们的广泛关注。要制备气凝胶，首要任务是选择前驱体，前驱体就是制备所用的起始原材料，早期ZrO2气凝胶制备的前驱体基本为锆有机醇盐，例如Y.W.Zeng[9]等就是以正丙醇锆为前驱体制备ZrO2气凝胶，并建立分形模型来描述，A.F.Bedilo等[10]以正丙醇锆和正丁醇锆为前驱体制备氧化锆气凝胶，采用的是超临界干燥法，Stocker[11]、Signoretto[12]和Kalies[13]等分别以正丁醇锆、正丙醇锆和异丙醇锆为前驱体，超临界干燥制得氧化锆气凝胶，但是锆的有机醇盐不易制备且难以保存，而且价格昂贵，毒性较大，而以无机锆盐（ZrOCl2、ZrCl4、ZrO(NO3)2 等）为前驱体，可以消除以金属醇盐为原料时其对水的敏感性和水解难以控制而带来的诸多不利因素，同时还可以大幅降低制备成本，因此，后期大多以无机锆盐为前驱体。相宏伟等[14-17]选择ZrOCl2·8H2O为前驱体制备ZrO2气凝胶，利用了前驱体在水溶液中与氨水反应形成溶胶，干燥方法仍然是超临界干燥，武志刚[18,19]等制备ZrO2气凝胶所选择的前驱物是无机锆盐ZrO(NO3)2·2H2O，涉及的制备方法是醇水加热法及超临界干燥法。到目前为止，氧化锆的前期制备基本都是采用溶胶—凝胶法，这是制备材料的湿化学法，是一种新工艺，是制备气凝胶的最好的方法。制备氧化锆气凝胶传统的干燥方法是超临界干燥法，是利用物质在临界温度和压力下气—液界面消失的原理，这种干燥法可以消除在干燥过程中因表面张力而产生的团聚现象，但这种干燥法成本较高，而且在制备实验过程中存在潜在的安全问题，因此，许多研究者更青睐于用安全且低成本的常压干燥工艺制备气凝胶，目前，常压干燥法多用于制备炭气凝胶、A12O3气凝胶和SiO2气凝胶，但在氧化锆气凝胶的制备方面还有待尝试和研究。