溶胶-凝胶法制备Fe2O3／SiO2薄膜

溶胶-凝胶法制备Fe2O3／SiO2薄膜 一﹑实验目的 1.溶胶凝胶的原理 2.溶胶－凝胶法合成薄膜Fe2O3／SiO2 3.复习及综合应用无机化学的反应理论，物理化学的胶体理论 4.通过实验，进一步加深对基础理论的理解和掌握，做到有目的合成，提高实验思维与实验技能 二﹑实验简介 溶胶是指微小的固体颗粒悬浮分散在液相中，并且不停的进行布朗运动的体系。根据粒子与溶剂间相互作用的强弱，通常将溶胶分为亲液型和憎液型两类。由于界面原子的Gibbs自由能比内部原子高，溶胶是热力学不稳定体系。凝胶是指胶体颗粒或高聚物分子互相交联，形成空间网状结构，在网状结构的孔隙中充满了液体(在干凝胶中的分散介质也可以是气体)的分散体系。并非所有的溶胶都能转变为凝胶，凝胶能否形成的关键在于胶粒间的相互作用力是否足够强，以致克服胶粒－溶剂间的相互作用力。对于热力学不稳定的溶胶，增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。因此，胶粒间相互靠近或吸附聚合时，可降低体系的能量，并趋于稳定，进而形成凝胶。 三﹑实验原理 溶胶－凝胶法(Sol－Gel法)是指无机物或金属醇盐经过溶液、溶胶、凝胶而固化，再经热处理而成的氧化物或其它化合物固体的。 具体以硝酸铁和正硅酸乙酯分别作为氧化铁和SiO2的前驱体，通过溶胶一凝胶工艺制备了Fe2O3／SiO2纳米复合粉体．若使用氯化铁为氧化铁前驱体，SiO2基体中则会生成Fe2O3．当干凝胶热处理温度较低时(T<400℃)，复合粉体(硝酸铁为前驱体)以非晶态存在．当 达到600℃时， Fe2O3粒子在SiO2基体中大量形成随着热处理温度的进一步升高，粉体中开始有Fe2O3杂质生成。 四﹑实验仪器试剂 仪器：量筒，烧杯，锥形瓶，容量瓶，滴管，电磁搅拌器，恒温干燥厢，高温炉； 试剂：硝酸铁和正硅酸乙酯，无水乙醇，盐酸，蒸馏水，双氧水等。 2 五﹑实验与过程： Fe2O3的制备： 所用试剂主要包括正硅酸乙酯、无水乙醇、Fe(NO3)3·9H20和FeC13·6H20，皆为纯． 1计量：将86mL 正硅酸乙酯溶于153mL无水乙醇中制得溶液X，将29gFe(NO3)3·9H2O溶于61mL蒸馏水中得到红棕色透亮溶液Y。 2混合：室温下量取红棕色透亮溶液Y，缓慢滴入到溶液X中，用磁力搅拌器强力搅拌10min，混合均匀，形成棕褐色澄清溶液A。继续将冰醋酸和蒸馏水加到另300mL无水乙醇中，剧烈搅拌，得到溶液B，滴入1-2滴盐酸，调节pH值使pH≤3。 3水解及溶胶：室温水浴下，在剧烈搅拌下将已移入恒压漏斗中的溶液A缓慢滴入溶液B中，滴速大约3 mL/min。滴加完毕后得深褐色溶液，继续搅拌半小时后，40℃水浴加热，1h后得到棕色溶胶(倾斜烧瓶凝胶不流动)。 4陈化：置于室温下静放，大约24h，得到较为理想棕色凝胶，为后面的实验 做准备。 5玻璃片处理： 先将片用实验洗涤剂清洗干净，再将玻璃放于超声波清洗机清洗机器中，用去离子水完全震荡清洗40min，保证玻璃片上的杂物除尽，将其取出，用吹风机吹干备用。 6涂层：将玻璃片分成四组,将其依次标为A，B，C，D组，A,B先在双氧水的反复提拉数次，取出烘干并标记，将ABCD四组都在已经制备的溶胶凝胶中提拉相同的次数，将其放在干燥箱中烘干20min.取出，将A，B，C，D分别在溶胶凝胶中提拉3，5，3，5次，再将其全部放在干燥箱中110-150℃烘干20min，将其取出，A，C组均提拉两次，B，D提拉三次，再将其放在干燥箱中相同温度烘干，将其取出，A，C组不做处理，B，D组在均提拉一次，放入干燥箱中相同温度烘干，将其取出，得到不同程度处理涂层的玻璃片A，B，C，D组。 7热处理：将ABCD放入马费炉子中，升温到550℃，保温40min,将实验品取出，得到四组不同的实验组，实验结果均较为理想，都得到均匀透明的棕色的玻璃片，期中BD组的实验结果更为理想，达到预期的结果。 六﹑实验结果分析讨论 通过查阅相关的文献资料，可以粗略的得出以下结论： 1氧化铁前驱体种类对Fe203／SiO2纳米复合粉体的影响 图1给出的是分别利用铁的硝酸盐和氯盐为氧化铁的前驱体，经600热处理后生成的样品B以及C的X射线衍射图谱．两条谱线在20~-,25。附近都出现了与非品SiO2相对应的宽的弥散峰．与C相对应的谱线中出现的其他衍射峰是与 αFe2 03相对应的特征峰．与B相对应的谱线中的其他特征峰则为尖晶石型γFe203或Fe3O4的特征衍射峰．从计算所得品格常数值(ao=8．342)以及试样所呈现的棕赭色判断， B复合粉体中生成的应为Fe203(ao=8．351)而不是Fe3O4(a0=8．3967，黑色)．在Fe2O3／SiO2纳米复合粉体的研制过程中，最终会生成 αFe2O3还是γFe2O3是由制备起始阶段中生成的中间产物(铁的含氧氢氧化物)的种类所决定．以氯化铁和硝酸铁作为氧化铁前驱体时，中间产物分别为 βFeOOH和γFeOOH["]．经过加热， βFeOOH会发生溶解再结晶过程而生成αFe 2O3，而γFeOOH会直接转变为 γFe2O3．因此要制备γFe 2O3／SiO2纳米复合粉体，应选用硝酸铁做氧化铁前驱体。 2温度对Fe 2O3／SiO2纳米复合粉体的影响 图2是A，A400，A600，A700的x射线衍射图谱．在所有的温度点下，2?Φ≈25。附近都出现了与非晶SiO2相对应的宽弥散峰．试样A为非晶态，400℃热处理后试样所对应的衍射图中开始有极其微弱的γFe203特征峰出现，明此时在SiO2基体中已有少量的 αFe2O3生成，当热处理温度达到600℃时，从衍射峰上看γFe2O3已结晶完整，随着热处理温度进一步升高到700℃，衍射图谱中开始有αFe2O3的特征峰出现．因此，要制备纯的γFe2O3／SiO2纳米复合粉体，最佳热处理温度应为600℃． 3盐酸的添加对复合粉体中磁性颗粒大小及尺寸分布的影响 图4给出了与试样B，B 相对应的x射线衍射图谱．在2θ≈25。附近都出现了与非晶Si02相对应的宽的弥散峰，除此之外，图谱中的其他衍射峰均为尖晶石型γFe203的特征衍射峰．随着酸含量的增加，对应于γFe203的特征峰衍射强度逐步加强，衍射峰也越来越尖锐．根据Scherrer公式所计算出的晶粒平均颗粒尺寸在表1中给出。 七﹑结论 1．以硝酸铁和正硅酸乙酯分别作为氧化铁和SiO2的前驱体，通过溶胶一凝胶工艺可制备Fe203／SiO2纳米复合薄膜。 2．要制备纯的Fe203／SiO2纳米复合粉体，最佳热处理温度应为550℃． 3．通过对添加剂盐酸使用量的调节可改变复合粉体中Fe2O3粒子大小(5.0-17.1)，并改善其颗粒尺寸分布情况． 八﹑实验心得 1.经过一个星期的努力，我们的实验基本取得了预期的成果。 2.通过本次实验，让我更近一步学习、了解了用溶胶-凝胶法制备胶体的方法。本次实验制备的实验产品是纳米Fe2O3--SiO2薄膜。我们通过孤立法，先固定滴定速度，探究反应物的最佳浓度；得到形成均匀胶体的反应物最佳浓度后，固定最好的浓度来变换不同的滴定速度滴定来探究胶体的形成情况。 3.完成实验后我们知道了在制备用溶胶-凝胶法制备纳米粒子胶体的最好的浓度，知道了两种溶液混合时速度越慢越好，当然，这个慢也是有个限度的吧！在我们这个实验中，70min滴定完就已经可以得到很好的溶胶了。 4.在这个实验中我还体会到了跟同学合作实验，一起思考、探究的乐趣和知识的相互增补的长进。不过，完成这一次实验我们也经历过了很多的挫败，比如滴定管没有彻底吹干，在配制溶胶凝胶时实验操作失误，导致耗时比较长。这一次实验为我以后单独完成实验做好了基础准备，我会更加努力地做得更好！ 5.在后期的实验数据处理、结果分析阶段，如何将具体的实验数据整理、分析，从中提炼出对我们的分析有用的数据并建成合理的强度模型，是对我们分析、研究能力的考验。