超疏水型納米sio

超疏水型納米sio

sio2ec凝膠是一種環(huán)保、納米多孔多晶態(tài)材料，具有許多優(yōu)異的性能。例如，具有高孔孔隙率（99%）、低密度（0.3g/cm3）、大粒徑（16000ms）、低熱導(dǎo)率（0.02w/（m））、低聲速（100ms）、低破碎率（1.01和1.10）等。因此，sio2ec凝膠具有廣闊的應(yīng)用前景，抗泡沫和材料的多態(tài)性驅(qū)動(dòng)器、催化劑和催化劑的傳輸方式、高效的隔熱材料和高性能的可充電電池制造具有廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，作為一種吸附劑，它也用于處理廢水處、凈化和處理器官廢物。目前，國(guó)內(nèi)外制備SiO2氣凝膠通常都以硅酸酯或水玻璃為原料，采用溶膠–凝膠法，經(jīng)超臨界干燥制得。但是超臨界干燥設(shè)備要求高，存在不安全因素等，且所得氣凝膠容易吸收水分而大大影響其性能，大規(guī)模應(yīng)用受到很大制約，因此，用常壓干燥替代超臨界干燥，采用酸–堿兩步催化快速制備出超疏水型SiO2氣凝膠顯得十分重要。實(shí)驗(yàn)以硅酸酯為原料，采用常壓干燥制備了在可見光區(qū)光透過率高的薄片狀超疏水型SiO2氣凝膠(接觸角>150°)，在懸浮型和可回收型光催化劑的制備中具有很好的應(yīng)用前景。1實(shí)驗(yàn)1.1反應(yīng)物溶液5.2以正硅酸乙酯(tetraethylorthosilicate,TEOS)為前驅(qū)體，乙醇(EtOH)為溶劑，以草酸(oxalicacid)和氨水(NH3?H2O)進(jìn)行兩步催化，保持n(TEOS):n(EtOH):n(oxalicacid):n(NH3?H2O)=1:4:5:0.2(摩爾比)，其中草酸為0.008mol/L的水溶液，氨水濃度為0.05mol/L。所制備的SiO2濕凝膠經(jīng)多步溶劑交換和表面改性，采用溶膠–凝膠法常壓干燥得到超疏水型SiO2氣凝膠。首先，按上述計(jì)量比將TEOS,EtOH和0.008mol/L的草酸混合于燒杯中，密封后置于水浴中，在攪拌下水解12h后逐滴加入氨水；待凝膠形成后，立即加入一定量的無水乙醇，在36h內(nèi)交換凝膠中的水3次；再用一定量正己烷在36h內(nèi)交換凝膠中的乙醇3次，經(jīng)干燥制備出未經(jīng)改性的SiO2氣凝膠。其次，將經(jīng)溶劑交換、老化后的濕凝膠浸入體積比為1:4的六甲基二硅胺烷(hexamithyldisilazane,HMDZ)/正己烷混合溶液中，在50℃進(jìn)行表面改性，24h后加入一定量的正己烷在24h內(nèi)交換未反應(yīng)的改性劑2次。最后用帶針孔的鋁箔密封好試管后，放在烘箱中常壓下進(jìn)行分級(jí)干燥，得到改性的SiO2氣凝膠。1.2sio2氣凝膠的表征利用XL30–ESEM型環(huán)境掃描電子顯微鏡(enviromentalscanningelectronmicroscope,ESEM)觀察氣凝膠形貌，加速電壓為25kV，經(jīng)表面噴金處理后，在一定放大倍數(shù)下觀察樣品的表面形貌。利用德國(guó)Dataphysics公司OCA20視頻接觸角測(cè)定儀測(cè)定樣品的接觸角。用菲利浦公司TECNAI–12型透射電鏡(transmissionelectronmicroscope,TEM)，加速電壓為120V，觀測(cè)氣凝膠的表面孔結(jié)構(gòu)和粒徑分布。用美國(guó)Nicolet公司的NEXUS470Fourier變換紅外光譜(Fouriertransforminfraredspectrometer,FTIR)儀，以KBr壓片法測(cè)定樣品的FTIR光譜。利用Quntachrome公司NOVA2000型測(cè)試儀測(cè)定氣凝膠比表面積和孔徑分布(溫度為77K，吸附介質(zhì)為N2)。通過日本RigakuD/Max–γA型X射線粉末衍射(X-raydiffraction,XRD)儀進(jìn)行物相組成分析。根據(jù)質(zhì)量和體積比得到SiO2氣凝膠堆密度?？左w積Vp=(1/ρb–1/ρs)，孔隙率p=(1–ρb/ρs)×100%(其中：ρb是SiO2氣凝膠的堆密度；ρs是SiO2氣凝膠的骨架密度)。折光指數(shù)X=1+0.19ρb。體縮率v=[(V1–V2)/V1]×100%(其中：V1是醇凝膠的體積；V2是氣凝膠的體積)。2結(jié)果與討論2.1漂浮型催化劑載體的制備表1為SiO2氣凝膠的物理特性。制備出的SiO2氣凝膠經(jīng)改性后，堆密度、體積收縮率和折光系數(shù)與改性前相比都有顯著降低，孔體積、孔隙率、比表面積均明顯增加，并且在可見光區(qū)光透過率高，因此可以用作漂浮型催化劑的載體，特別是用作可見光光催化劑載體。2.2水解有機(jī)凝膠的疏水性SiO2氣凝膠經(jīng)HMDZ改性后，表面的羥基被非水解有機(jī)基團(tuán)所取代，因此表現(xiàn)出疏水性。圖1是SiO2氣凝膠表面的水珠照片。由圖1可見：SiO2氣凝膠表面水珠的接觸角為152.1°，表現(xiàn)出超疏水性。2.3介孔sio2氣凝膠圖2為疏水SiO2氣凝膠的SEM照片。從圖2可知：所得的SiO2氣凝膠是具有連續(xù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多孔納米材料，其骨架疏松，孔洞尺寸在10～20nm之間。由此說明采用正硅酸乙酯為原料，通過溶劑交換和表面改性，成功地在常壓條件下制備了介孔SiO2氣凝膠。圖3為疏水SiO2氣凝膠的TEM照片，由圖3可見：SiO2氣凝膠樣品的粒子分布非常均勻，平均粒徑約為5nm，經(jīng)測(cè)量堆密度為0.3503g/cm3，說明該樣品是輕質(zhì)納米材料。2.4hmdz改性利用孔徑分布及比表面積測(cè)試儀測(cè)量SiO2氣凝膠孔徑分布和比表面積以及吸附–脫附曲線(見圖4)。測(cè)得SiO2氣凝膠的比表面積為765.27m2/g，比采用其他方法制備的氣凝膠的比表面積大。從圖4中可以看出：經(jīng)HMDZ改性后，SiO2氣凝膠孔徑分布在5～32nm之間，平均孔徑為12.24nm，是典型的介孔材料。圖5是樣品對(duì)N2的吸附–脫附等溫線，該曲線為典型的Ⅴ類等溫線，說明SiO2氣凝膠具有多孔結(jié)構(gòu)，這與氣凝膠是由SiO2納米顆粒聚結(jié)而成的多孔固體結(jié)構(gòu)特征相符合。2.5表面改性前后sio2氣凝膠的疏水性變化圖6是改性前后SiO2氣凝膠的FTIR光譜。由圖6可知：1100,800cm–1和470cm–1的吸收峰分別代表Si—O—Si的反對(duì)稱伸縮振動(dòng)、對(duì)稱伸縮振動(dòng)和彎曲振動(dòng)，表面改性前后沒有發(fā)生明顯變化；在3500cm–1附近出現(xiàn)的吸收峰是羥基的特征吸收峰，經(jīng)表面改性后，強(qiáng)度明顯降低；而在2980cm–1和1450cm–1處出現(xiàn)了C—H的吸收峰，在850cm–1處出現(xiàn)了Si—C的吸收峰；SiO2氣凝膠表面殘留的Si—OH是親水性的主要來源，Si—OH的殘留量越少，SiO2氣凝膠的疏水性越好。經(jīng)表面改性后，SiO2氣凝膠表面的羥基被甲基所取代，從而使SiO2氣凝膠呈現(xiàn)出疏水性。2.6非晶衍射峰圖7是SiO2氣凝膠的XRD譜。由圖7可知：改性前樣品僅在20°～25°的低衍射角區(qū)出現(xiàn)了1個(gè)很強(qiáng)的單峰，即非晶衍射峰，由此可知，該粉末是無定型結(jié)構(gòu)。經(jīng)表面改性后，仍在該低衍射角區(qū)出現(xiàn)了很強(qiáng)的單峰，只是強(qiáng)度有所降低，說明經(jīng)六甲基二硅胺烷改性后，仍為無定型(非晶)結(jié)構(gòu)。3凝膠超疏水性(1)以TEOS為原料，采用乙醇為溶劑，通過酸–堿兩步催化溶膠–凝膠法合成了SiO2醇凝膠，然后通過溶劑交換和表面改性，常壓干燥制備了SiO2氣凝膠，與水接觸角為152.1°，表現(xiàn)出超疏水性。(2)當(dāng)n(TEOS):n(EtOH):n(o