溶胶-凝胶与软化学

溶胶-凝胶和软化学是低温溶液路线，通过分子前体的水解和缩合作用构建氧化物和杂化固体，从而得到精细、均匀且通常具有纳米结构的材料。

Definition

溶胶-凝胶工艺是通过胶体溶胶将分子前体合成固体氧化物或杂化网络，该溶胶凝胶化形成多孔固体；软化学是制备无机材料的一系列更广泛的温和、低温溶液和拓扑化学方法。

Scope

本主题涵盖了溶胶-凝胶工艺的化学原理——即将金属醇盐或盐前体首先转化为胶体溶胶，然后通过水解和缩合作用转化为连续凝胶网络的过程——以及在接近室温下操作的更广泛的软化学（chimie douce）路线家族。它探讨了工艺如何控制孔隙率和微观结构、气凝胶和干凝胶的形成、涂层和纤维，以及有机-无机杂化材料。

Core questions

• 水解和缩合如何将前体转化为凝胶网络？
• 加工如何控制孔隙率和微观结构？
• 溶胶-凝胶能实现哪些材料形式——薄膜、纤维、整体材料、气凝胶？
• 为什么软化学路线能够获得高温方法无法获得的材料？

Key concepts

• 水解和缩合
• 溶胶和凝胶转变
• 凝胶化和老化
• 气凝胶和干凝胶
• 浸涂和旋涂
• 有机-无机杂化物

Key theories

水解和缩合聚合

金属醇盐水解形成羟基化物质，这些物质缩合形成金属-氧-金属桥，首先构建胶体颗粒或聚合物的溶胶，然后形成跨越的凝胶网络；这些步骤的相对速率控制着结构和孔隙率。

软化学与结构控制

软化学路线在低温下操作，保留了前体的连接性，并产生均匀、细粒且通常是亚稳态的产品，从而实现了高温平衡合成无法实现的结构和组成控制。

Mechanisms

水攻击金属醇盐键形成羟基，羟基通过释放水或醇进行缩合，形成桥接氧化物键；重复的缩合作用将不断增长的网络交联成凝胶，之后通过干燥和热处理去除溶剂并致密化固体。

Clinical relevance

溶胶-凝胶和软化学通常在比传统工艺低得多的温度下生产光学和保护涂层、高纯度玻璃和陶瓷粉末、用于绝缘的低密度气凝胶、催化剂载体以及结合无机坚固性和有机功能性的杂化材料。

History

溶胶-凝胶化学的根源在于19世纪对硅醇盐水解形成硅胶的观察，但在20世纪后期，它发展成为一种受控的玻璃、陶瓷和涂层制备路线，并由Brinker和Scherer进行了规范。Livage等人将其置于更广泛的“软化学”（chimie douce）概念框架内，即用于设计无机和杂化材料的温和化学方法。

Key figures

• Jacques Livage
• C. Jeffrey Brinker
• John D. Mackenzie

Seminal works

• brinker1990
• rao1997

Frequently asked questions

溶胶和凝胶有什么区别？

溶胶是胶体颗粒或聚合物在液体中的稳定分散体。当缩合作用将这些颗粒或聚合物连接成一个贯穿容器的连续网络时，液体被困住，系统凝固成凝胶——一个充满溶剂的固体网络。

气凝胶是如何从凝胶制成的？

气凝胶是通过从湿凝胶中去除液体而不使其网络塌陷而产生的，通常通过超临界干燥，这样就不会形成液-气界面。这保留了开放的、高度多孔的结构，从而得到一种极低密度的固体。