Academia RomânăInstitutul de Chimie Fizică “Ilie Murgulescu”

Chimia proceselor sol-gel

Conducător stiinţific:Dr. Mariuca Gartner

Doctorand:Dulgheru (Nedelcu) Nicoleta

2011

Chimia procesului sol-gel are la baza două procese:1. hidroliză 2. condensare a precursorilor moleculari.

Ionul metalic poate coordina 3 tipuri de liganzi în soluţii apoase:

1. Consideraţii generale:

- apa (H2O)- hidroxo (HO-) - oxo (O2-).

este determinată de: - sarcina ionului metalic - pH-ul mediului.

Metoda sol - gel constă în:1. prepararea unui gel din precursori sol-gel organici si/sau anorganici;2. îmbătrânirea gelului (uscare în condiţii strict controlate);3. tratarea termica a gelurilor uscate .

1. Schema procesului sol-gel

2. Xerogel -aplicatii

În momentul de faţă, se disting două variante ale procesului sol-gel si anume: 1. “metoda alcoxid” care porneşte de la soluţii moleculare, 2. “metoda coloidală” care utilizează soluţii coloidale.

2. Obţinerea materialelor prin metoda alcoxidica:

Reacţiile care au loc sunt următoarele:

M – OR + H2O M – OH + R – OH hidroliză

M – OH + M – OH M – O – M + H2O condensare

M – OH + M – HO – R M – OH – M + R – OH

Factorii care influenţează microstructura:

Se prepara silicati prin metoda sol-gel pornind de la alcoxizii siliciului si ai metalelor tranzitionale [4]. Viteza reactilor de hidroliza depinde de:

natura ionului metalic, natura ligandului organic, natura solventulul, valoarea raportului de hidroliza si prezenta catalizatorului.

Raportul de hidroliza, h, este parametrul extern:

])([

][

2

2

ORM

OHh (1)

3. Transformarile alcoxisilani intr-un proces sol gel

4 Procesul de obtinere a filmelor subtiri prin metoda sol gel utilizând TEOS în etanol si apă.

3. Obţinerea materialelor prin metoda “sol-gel“ din soluţii coloidale.

Reacţiile de formare a solului şi gelului sunt următoarele:

2)1()1(

)1(12

22

)()()(

)()(

MzyOHMOHyM

HOHOHMOHMz

yxz

znn

reactia de protonare a apei solvatate (1)

policondensare (2)

x=1 se obţin specii mononucleare, x>1 se obţin specii polinucleare.

Factorii care influenţează formarea gelurilor din solurilor coloidale sunt :

pH–ul soluţiei, după cum se observă din reacţia (1), temperatura (care poate facilita formarea complecşilor), natura anionilor furnizaţi de sărurile metalelor.

Exemple:

Studiile sistematice de obţinere a SnO2 prin metoda “sol-gel” din soluţii coloidale au fost efectuate de Hiratsuka, Santilli şi colaboratorii sai .

SnCl4

precipitarea cu amoniac a soluţiei apoase de SnCl4

peptizarea precipitatului prin ajustarea pH-ului la pH=11.

îndepărtarea ionilor de Cl- prindializa şi a ionilor de NH4

+ prin încălzirea solului la 50 0C.

gelifierea prin îmbătrânirea solului.

condensarea eliminarea apei prin uscare

Tratament termic

4. Scema de obtinere a SnO2 prin metoda sol-gel

2,8 g CTAB in 30 mL H2O2,8 g CTAB in 30 mL H2O

Agitare 2 h, t0camerei Agitare 2 h, t0camerei

Agitera 1 h, t0 camereiAgitera 1 h, t0 camerei

4,64 g SnCl4*5 H2O + 20 mL H2O

4,64 g SnCl4*5 H2O + 20 mL H2O

60 mL H2O60 mL H2O

Agitare 24 h, t0 camereiAgitare 24 h, t0 camerei

Aducerea la pH 9 Aducerea la pH 9

Uscare in etuva timp de 3 zile la 1000CUscare in etuva timp de 3 zile la 1000C

FiltrareFiltrare calcinarecalcinare

6.Schema de obtinere a SnO2 prin metoda sol

Gelul de titan tetrabutoxi titanat (IV)Adiția

solutie de metanol

Precursorul alcoxid de vanadiuredispersat

Gelul de titan

calc

inat

e la

T =

773

K

cristale V2O5

S-au sintetizat aerogeluri de vanadiu si titan.

Aluminatul de ytriu nedopat Y3Al5O12 (YAG.). optice

filmele dopate cu samariu pot fi

folosite ca senzori de temperatura si presiune.

Monocristalele de YAG sinterizate au aplicatii:

Y2O3 +Al2O3 = 2Y3Al5O12

5. Filme depuse prin centrifugare “spin-coating”.

6. Schema de obținere a nanocristalelor de TiO2 prin metodele sol gel

Abilitatea de a obţine forme derivate din starea de sol sau gel (monolit, filme, fibre, pulberi). Obtinerea de materiale cu porozitate controlata, posibilitatea usoara de inglobare a dopantilor in structura filmelor Permite controlul microstructural si compozitional. Obtinerea de materiale hibride Temperatura de procesare scăzută, metoda economica.

Avantajele metodei sol-gelAvantajele metodei sol-gel

Vă multumesc pentru atentie!!!Vă multumesc pentru atentie!!!