CN107694490B - 一种硅-铁复合气凝胶的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种气凝胶的制备方法,具体是指一种硅‑铁复合气凝胶的制备方法,包括二氧化硅‑氧化铁气凝胶和二氧化硅‑铁气凝胶;其特征在于:以酸性硅溶胶为原料,以氢氧化钠或碳酸钠、碳酸氢钠、氨的水溶液为凝胶催化剂,以铁盐作为铁源和凝胶促进剂,在水相中凝胶,然后用乙醇进行溶剂置换,同时老化;以六甲基二硅氮烷的六甲基二硅氧烷溶液作为改性剂,改性完成后得SiO2‑Fe2O3气凝胶块体。进一步用氢气还原,即可制得SiO2‑Fe气凝胶。本发明以价格低廉的无机硅源——酸性硅溶胶为原料,生产成本更低,而制备的气凝胶性能更佳。

Description

一种硅-铁复合气凝胶的制备方法
技术领域:
本发明涉及一种气凝胶的制备方法,具体是指一种硅-铁复合气凝胶的制备方法,包括二氧化硅-氧化铁(SiO2-Fe2O3)气凝胶和二氧化硅-铁(SiO2-Fe)气凝胶。
背景技术:
二氧化硅(SiO2)气凝胶因其独特的三维网络结构、气体分散介质以及纳米量级的固体相和孔隙结构使其具有低密度、高比表面积、高孔隙率等特点,引起人们极大的兴趣,可用来作为保温隔热、隔音、吸附、催化剂载体、声阻耦合等材料,应用开发已比较成熟。为了进一步拓展硅气凝胶的应用,复合气凝胶的研发正方兴未艾,硅-铝(SiO2-Al2O3)复合气凝胶、硅-锆(SiO2-ZrO2)复合气凝胶、硅-钛(SiO2-TiO2)复合气凝胶、硅-碳(SiO2-C)复合气凝胶以及硅与有机物复合气凝胶等被相继制备,硅-铁复合气凝胶是一种含纳米级的金属铁、氧化铁的、具有铁磁性的复合气凝胶,其独特的三维网络多孔结构能够保证磁性纳米颗粒的均匀分散,限制颗粒的团聚和长大,同时通过控制颗粒在凝胶内部的分散,能够有效地调节材料的磁性,可应用于生产磁光传感器、生物感应元件等磁性器件,在催化领域也有潜在的应用前景,含单质铁的硅-铁复合气凝胶是优质的还原剂,对硝基苯、氯代芳香族化合物、六价铬、二价铅、三价砷等具有优越的还原性和还原效率,是很有前景的污染物处理和土壤修复剂。
硅-铁复合气凝胶的制备方法,目前主要有以下几种:
1、以乙醇为溶剂,铁或铁的氧化物纳米颗粒与正硅酸乙酯(或正硅酸甲酯、甲基三乙氧基硅烷)水解的二氧化硅溶胶混合,经过凝胶、老化、和超临界干燥,得到复合气凝胶。由于铁或铁的氧化物纳米颗粒大小、均匀性以及在溶胶中的分散性难以控制,得到的复合气凝胶性能不稳定,重现性差。
2、用铁盐(硝酸铁、铁的EDTA络合物、醋酸亚铁等)水溶液与正硅酸乙酯(或正硅酸甲酯、甲基三乙氧基硅烷)的乙醇溶液共水解,加碱凝胶、老化、超临界干燥得到复合气凝胶。
3、用铁盐(硝酸铁、铁的EDTA络合物、醋酸亚铁等)与正硅酸乙酯(或正硅酸甲酯、甲基三乙氧基硅烷)的乙醇溶液共水解,加碱凝胶、老化,最后用六甲基二硅氮烷的正己烷溶液改性,常压干燥得到复合气凝胶。但常压干燥过程时间长、效率低,干燥残液成分复杂,回收困难。
发明内容:
本发明的目的在于提供一种工艺简单、效率高、性能优良、溶剂易于回收且可重复使用的常压干燥硅-铁复合气凝胶的方法。
本发明采取的技术方案如下:
一种硅-铁复合气凝胶的制备方法,其特征在于:以酸性硅溶胶为原料,以氢氧化钠或碳酸钠、碳酸氢钠、氨的水溶液为凝胶催化剂,以铁盐本身作为凝胶促进剂,在水相中凝胶,然后用乙醇进行溶剂置换,同时老化;以六甲基二硅氮烷的六甲基二硅氧烷溶液作为改性剂,改性完成后得SiO2-Fe2O3气凝胶块体。
作为进一步优选的设置:
采用质量含量20%二氧化硅的酸性硅溶胶为硅源,采用质量含量6-15%的硝酸铁水溶液为凝胶促进剂,酸性硅溶胶与硝酸铁水溶液的质量比为1:1~1.5.
改性剂的用量为:1/5~15g/ml(酸性硅溶胶/改性剂)。
所述的凝胶,采用质量含量5%的氨水,调节PH值为7.2,在70℃下静置2小时后凝胶。
所述的置换,在70℃下采用体积含量95%的乙醇置换两次。
改性完成后,常压干燥并回收六甲基二硅氧烷,得到六甲基二硅氮烷的六甲基二硅氧烷溶液,回收重复使用。
改性完成后,得到的SiO2-Fe2O3气凝胶块体,置于管式炉中,通入氢气,同时逐渐升温至500℃,维持2小时,得褐色SiO2-Fe复合气凝胶。
更进一步的:
一种硅-铁复合气凝胶的制备方法,其特征在于:量取100克含质量含量20%二氧化硅的酸性硅溶胶(PH值为2.2),加入100毫升质量含量8%的硝酸铁水溶液,快速搅拌下滴加质量含量5%的氨水至PH值为7.2,70℃下静置2小时后凝胶,先用1000毫升70℃的水浸泡1小时,再用70℃的体积含量95%的乙醇置换两次,每次用量1000毫升,接着用1000毫升质量分数为20%的六甲基二硅氮烷的六甲基二硅氧烷溶液改性2小时,常压干燥并回收六甲基二硅氧烷,得SiO2-Fe2O3的棕色半透明气凝胶块体。
取上述SiO2-Fe2O3气凝胶块体于管式炉中,通入氢气,同时逐渐升温至500℃,维持2小时,得褐色SiO2-Fe复合气凝胶。
本发明的有益效果如下:
1、以价格低廉的无机硅源——酸性硅溶胶为原料,生产成本更低,而制备的气凝胶性能更佳;
2、以氢氧化钠(或碳酸钠、碳酸氢钠、氨水)水溶液为凝胶催化剂,以铁盐本身作为凝胶促进剂,减少了助剂的使用;
3、在水相中凝胶,凝胶结构更为均匀;
4、以体积含量95%乙醇进行溶剂置换,同时老化,工艺过程更为简单;
5、以六甲基二硅氮烷的六甲基二硅氧烷溶液(HMDZ/MM)作为改性剂,六甲基二硅氮烷改性后生成六甲基二硅氧烷,无需分离,直接回收和重复使用,对环境友好。
具体实施方式:
以下结合具体实施方式,对本发明作进一步说明。
实施例1:
量取100克含20%(质量含量)二氧化硅的酸性硅溶胶(PH值为2.2),加入100克8%(质量含量)的硝酸铁水溶液,快速搅拌下滴加5%(质量含量)的氨水至PH值为7.2,70℃下静置2小时后凝胶,先用1000毫升70℃的水浸泡1小时,再用70℃的95%(体积含量)的乙醇置换两次,每次用量1000毫升,接着用1000毫升质量分数为20%的六甲基二硅氮烷的六甲基二硅氧烷溶液改性2小时,常压干燥并回收六甲基二硅氧烷,得SiO2-Fe2O3的棕色半透明气凝胶块体。
取上述SiO2-Fe2O3气凝胶块体于管式炉中,通入氢气,同时逐渐升温至500℃,维持2小时,得褐色SiO2-Fe复合气凝胶。
对比实施例1:制备方法与上述相同,区别在于:采用69.4克正硅酸乙酯为硅源,加30.6克水,再加1毫升65%的硝酸水解获得凝胶前体(二氧化硅含量相同),制备SiO2-Fe2O3气凝胶。
性能对照:
将实施例1和对比实施例1进行性能对照如表1所示:
表1、
分析:如表1所示,本发明采用价格低廉的无机硅源——酸性硅溶胶为原料,替代现有常用的正硅酸乙酯硅源,不仅从成本上大大降低,而且从制备的气凝胶性能分析,与现有制备的气凝胶性能相当或在某些方面有所提升。
实施例2-4:
制备方法同实施例1,区别在于:调整凝胶催化剂、硝酸铁的用量,并检测其对气凝胶性能的影响。
表2:
分析:如表2所示:
1、本发明以氢氧化钠(或碳酸钠、碳酸氢钠、氨水)水溶液为凝胶催化剂,以铁盐本身作为凝胶促进剂;这样可以减少凝胶促进剂的使用,同时,从制备的气凝胶性能分析,与现有制备的气凝胶性能相比,在某些方面有所提升。
2、通过控制凝胶催化剂和硝酸铁含量,可以获得更佳的复合气凝胶性能,如表2所示:硝酸铁含量较低,则制备的气凝胶的铁含量低、铁磁性较弱,直接影响复合气凝胶的性能与应用,而硝酸铁含量过高,会导致铁或氧化铁的团聚,形成较大的铁或氧化铁颗粒,从而影响复合气凝胶性能,我们通过反复实验证实:硝酸铁含量控制在6-15%时,可以获得较好的复合气凝胶性能,尤其是硝酸铁含量为8%时,效果为最佳。
实施例5:
制备方法同实施例1,区别在于:采用实施例1回收的六甲基二硅氧烷,回收后直接作为改性剂的溶剂继续用于气凝胶的制备。
表3:
分析:如表3所示,本发明采用以六甲基二硅氮烷的六甲基二硅氧烷溶液(HMDZ/MM)作为改性剂,六甲基二硅氮烷改性后生成六甲基二硅氧烷,无需分离,直接回收和重复使用,经实验证实,上述溶剂回收利用5-10次后仍有很好的改性效果,从而大大节约了成本,减少了有机废弃物的排放,具有非常好的环保效果。

Claims (1)

1.一种硅-铁复合气凝胶的制备方法,其特征在于:量取100克含质量含量20%二氧化硅的酸性硅溶胶pH值为2.2,加入100毫升质量含量8%的硝酸铁水溶液,快速搅拌下滴加质量含量5%的氨水至PH值为7.2,70℃下静置2小时后凝胶,先用1000毫升70℃的水浸泡1小时,再用70℃的体积含量95%的乙醇置换两次,每次用量1000毫升,接着用1000毫升质量分数为20%的六甲基二硅氮烷的六甲基二硅氧烷溶液改性2小时,常压干燥并回收六甲基二硅氧烷,得SiO2- Fe2O3的棕色半透明气凝胶块体;
取上述SiO2- Fe2O3气凝胶块体于管式炉中,通入氢气,同时逐渐升温至500℃,维持2小时,得褐色SiO2- Fe复合气凝胶。
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