二氧化硅的制备

纳米二氧化硅颗粒的制备与表征

一、实验目的

1、 学习溶胶—凝胶法制备纳米SiO颗粒。

2

2、 利用粒度分析仪对SiO颗粒物相分析和粒径测定。

2

3、 通过红外光谱仪对纳米SiO颗粒进行表征。

2

4、 通过热重分析仪测试煅烧温度。

二、实验原理

纳米SiO具有三维网状结构 ，拥有庞大的比表面积 ，表面上存在着大量

2

的羟基基团, 亲水性强, 众多的颗粒相互联结成链状 ，链状结构彼此又以氢键

相互作用，形成由聚集体组成的立体网状结构。

图1 纳米二氧化硅三维网状结构

图2 纳米二氧化硅表面上存在着大量的羟基基团

溶胶凝胶法（Sol-Gel法）：利用活性较高的前驱体作为原料，在含水的溶

液中水解，生成溶胶，然后溶胶颗粒间进一步发生相互作用，与溶剂共同生成凝

胶，干燥后、煅烧获得前驱体相应的氧化物。

第一步 水解：

SiOHROHSiORHO

硅烷的水解过程

2

第二步 缩合：

硅烷的缩聚过程

SiOHHOSiSiOSiHO

2

SiOSi2ROH2SiORHO

总反应：

2

硅烷的浓度，硅烷溶液的pH 值，溶剂成分，水解时间与温度均会影响到硅

烷的水解缩聚过程。

其中，pH 值能影响硅烷溶液的水解缩聚反应速率。一般认为酸性和碱性条

件下均有利于硅烷的水解反应，而碱性条件下更能促进缩聚反应的进行。因此，

选择合理的pH 值能控制硅烷的水解与缩合反应速率。

水含量除了影响硅烷的水解与缩聚反应速率外，还影响其溶解性；而醇溶剂

对硅烷分子起到助溶与分散的作用，还起到调节水解速率的作用。

三、仪器及试剂

仪器 常规玻璃仪器，不同型号移液枪，坩埚，研钵，水浴锅，磁子，磁力搅

拌器，烘箱，马弗炉，傅里叶红外光谱仪，差热-热重分析仪，粒度分析仪；

试剂 乙醇（AR），去离子水，TEOS，1:1 氨水，浓氨水、浓盐酸，精密pH 试

纸。

四、实验步骤

① Stober 法制备纳米SiO颗粒

2

取75mL 无水乙醇于烧杯中，加入25mL 去离子水，搅拌使其均匀。向其中

加入10mL TEOS，同时搅拌。用1:1 氨水溶液调节硅烷溶液的pH 值至7，搅拌

10min。 将上述硅烷溶液放入水浴锅中，水温35℃，陈化1h。向溶液中逐滴加

入浓氨水，使其刚好产生果冻状凝胶为止。静置，至溶液全部转化为凝胶。

将所得的凝胶捣碎放入烘箱中，烘箱温度为100℃，烘干，即得SiO 前躯

2

体粉末。将粉末碾碎后在300℃ 煅烧20min 即得SiO 粉末。

2

② SiO 颗粒的粒径测试

2

先将大烧杯中装满水，对大烧杯进行清洗，倒去水。向大烧杯中装入部分

水，测试背景。将小烧杯中预先搅拌好的二氧化硅浊液倒入大烧杯中，进行充

分混合均匀，对其进行粒径分析。

③ SiO 颗粒红外光谱测试

2

将微量的纳米SiO 颗粒样品和约80倍质量的KBr加入到研钵中，在红外灯

2

下研磨至粉状。将粉末小心的加到带孔的小纸片的铁柱上，在20MPa的压力下压

片约1分钟，得到透明的薄膜。用铁片和磁铁固定住薄膜纸片后，放入傅里叶红

外光谱仪中测其红外光谱图。

④ SiO 颗粒的WCT热分析测试

2

称取未煅烧前的二氧化硅粉末，用WCT热分析系统对其进行测试。设定升温

速率为4.59 ℃/min，测定时间为1小时。

五、实验数据与分析

① 二氧化硅颗粒产量

实际产量：2.03 g

理论产量：10 mL×0.933 g·mL/208.33 g·mol×60.08 g= 2.69 g

-1-1

实际产率：75.45%

② SiO 颗粒的粒径分析

2

由粒径分布谱图（见附图1）可知，实验制得的二氧化硅主要有两种粒径

的颗粒，分别约为10 μm和90 μm的SiO颗粒，粒径均未达到纳米尺度，

2

仅在微米尺度。

③ SiO 颗粒红外光谱测试

2

从Scifinder上查得的二氧化硅的标准红外光谱图如下。

图 1 SiO红外标准光谱图

2

从图中可以看出，1095 cm强而宽的吸收带为Si-O-Si反对称伸缩振动

-1

峰，3450 cm处峰是结合水-OH反对称伸缩振动峰，1638 cm处附近为水的

-1-1

H-O-H弯曲振动峰，800 cm、466 cm处的峰属于Si-OH的对称伸缩振动和弯

-1-1

曲振动峰。

从实验制备的二氧化硅粉末（煅烧后）的红外光谱图（见附图2）中可以

看出，1106 cm强而宽的吸收峰为Si-O-Si反对称伸缩振动峰，3441 cm处

-1-1

为结合水-OH反对称伸缩振动峰，1638 cm处为水的H-O-H弯曲振动峰，800

-1

cm、563 cm处的峰为Si-OH的对称伸缩振动和弯曲振动峰。

-1-1

实验制备测得的红外光谱图与标准的二氧化硅光谱图比较发现，峰位置

发生了较小的蓝移，但基本与标准谱图相同。

④ SiO 颗粒的WCT热分析

2

由WCT热分析曲线（附图3）可知，初始温度为=16.6℃，初始质量为

T

i

m

01

=14.4293 g。完全失水后的质量为m=2.0146 mg，减少的质量占85.03%，即失

去的含水量为85.03%。

六、实验结论与讨论

实验成功地通过Stöber法溶胶-凝胶法制备合成了SiO颗粒，产率为75.45%。通过傅

2

里叶红外光谱分析确定了制备得到的二氧化硅颗粒的组成；通过粒径分析仪确定了煅烧后二

氧化硅颗粒的粒径，发现大部分颗粒粒径分布在10~90 μm的粒径范围内，没有达到纳米尺

度；通过WCT热分析方法对未煅烧前的SiO进行分析，得出其含水量占85.03%，完全失水

2

温度为104.7℃，所以若烘箱温度低于104.7℃则无法将水除去。

对于实验未成功制得纳米级的SiO颗粒的原因，分析可能为：凝胶条件的选择并未达

2

到最佳，或者是煅烧温度不合适。因此，为实现纳米级的二氧化硅颗粒，需进一步探究实验

条件。

七、思考题

1、 如何确定煅烧温度？

为确定二氧化硅的煅烧温度，需对其进行WCT热分析，从而确定二氧化硅中

水被煅烧除去的最低温度。同时，煅烧温度也取决于所需的粒径大小。通常粒径

要求小，温度则应较低。

2、如何减少二氧化硅颗粒的团聚？

控制好硅烷的浓度，溶液的PH,温度等实验条件。或者用有机物洗涤，用表

面张力小的有机溶剂充分洗涤纳米颗粒,可以置换颗粒表面吸附的水分,减小氢

键的作用,减少颗粒聚结的毛细管力,使颗粒不再团聚。也可加入分散剂。常用的

分散剂类型有无机电解质、有机高聚物、表面活性剂等。

3、团聚与凝胶的区别。

团聚会絮凝沉淀，是因为分子间的范德华力、库仑力等引起的，产生不规则

的沉淀，里面不会含有大量的水等物质；凝胶是分子之间连接，形成规则的网状

结构，里面包含大量的水分子。

4、纳米颗粒表面修饰改性的基本类型。

纳米颗粒表面修饰改性主要类型有：表面覆盖改性、机械化学改性、外膜层

改性、局部活性改性、高能量表面改性等。

5、请设计制备纳米二氧化钛的实验方案。

首先将28mL水与112 mL乙醇按体积比1：4混合，并加入酸或碱调节溶

液pH，得到溶液作为反应介质。然后将17 mL的前驱体TBT与4 mL乙醇混合，

作为反应前驱体，在75℃下滴加到水和乙醇的混合溶剂中，并在滴加完毕后继

续在75℃下反应24h，将得到的悬浊液进行高速离心，用水和乙醇洗涤，干燥后

即得到Ti0粉末。

2

光子晶体

1987年E．Yablonovitch在研究如何控制材料自发辐射性质时提出了光子

晶体的概念，指出介电函数在空间的周期性调制能够改变材料中光子状态的模

式。光子晶体中由于光子带隙的存在，产生了很多全新的物理性质和现象，从而

显示出非常宽广的发展和应用前景。

当介电系数的变化足够大且变化周期与光波长相当时，光波的色散关系会出

现带状结构，此即光子能带结构（Photonic Band structures）。这些被终止的

频率区间称为“光子频率禁带”（Photonic Band Gap，PBG），频率落在禁带中的

光或电磁波是无法传播的。特别需要指出的是，介电系数周期性排列的方向并不

等同于带隙出现的方向，在一维光子晶体和二维光子晶体中，也有可能出现全方

位的三维带隙结构。

目前，光子晶体已成为物理学和材料科学的研究热点，发展迅速。在众多光

子晶体的制备方法中，胶体晶体模板法制备光子晶体的工艺被认为最为简便和有

效，也最有发展和应用前景。