常压干燥法快速制备SiO2气凝胶及Fe3+掺杂TiO2气凝胶研究

摘要

本文以正硅酸乙酯、无水乙醇、去离子水、盐酸和氨水为原料，通过溶胶-凝胶工艺和常压干燥工艺，根据所需SiO2气凝胶产品性能选择不同的制备途径，在凝胶形成前，向溶胶中添加正己烷或N,N-二甲基乙酰胺，并且使用无水乙醇洗涤改性后的凝胶，首次在较短周期内成功制备出高性能SiO2气凝胶;以钛酸四丁酯、无水乙醇、去离子水、冰醋酸和甲酰胺为原料，通过溶胶-凝胶工艺和常压干燥工艺，在溶胶形成过程加入适量硝酸铁，成功制备出Fe3+掺杂TiO2气凝胶。采用N2吸脱附测试(BET)、扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、差示-热重分析(DSC-TG)、红外光谱(FT-IR)、接触角测试、甲基橙光催化降解实验等手段对气凝胶样品的孔形孔径、微观形貌、表面基团、疏水性、热稳定性和光催化性能进行表征。
　　在常压干燥快速制备颗粒SiO2气凝胶过程中，通过在溶胶-凝胶阶段加入适量非极性溶剂正己烷，影响硅溶胶双电层结构，改变凝胶老化液液氛，提高团簇Ostwald生长速率，将老化时间由通常的1天以上缩短至8小时;将表面改性剂三甲基氯硅烷（TMCS）使用量由摩尔比TEOS∶TMCS=1∶0.6降低至1∶0.3;将整个材料制备周期由传统的3-7天减少到30小时。研究结果表明:当正己烷填充量(N-hexane/TEOS摩尔比)Vh=0.2时，制备的SiO2气凝胶样品的凝胶时间为40min，表观密度为0.108g/cm3，比表面积为972.5m2/g，孔容为2.9cm3/g;此外，气凝胶还具有孔径分布均匀，疏水性较好（接触角θ=150.5°），疏水基团耐热温度较高（约400℃），透光性较好等诸多优异性能。
　　在常压干燥快速制备透光性和成块性较好SiO2气凝胶过程中，通过使用N，N-二甲基乙酰胺(DMA)作为干燥控制化学添加剂，当DMA添加量的摩尔比DMA∶TEOS=0.4，老化温度为50℃时，可以将老化时间由传统的18-24小时缩短至6小时，所制备的凝胶线收缩率较低，密度较小。对湿凝胶进行表面改性后，使用无水乙醇洗涤3次，将凝胶中残留的水置换出来，避免水与低表面张力溶液（正己烷和甲苯）产生附加压力，3天内制备出SiO2气凝胶，其具有较小的密度(0.087 g/cm3)、较高的比表面积（988.3m2/g）、较高的孔容（3.0cm3/g），孔径分布较均匀，与水的接触角θ为151.1°，疏水基团的耐热温度为400℃左右，成块性和透光性均较好。
　　在常压干燥制备Fe3+掺杂TiO2气凝胶过程中，在溶胶形成阶段加入适量硝酸铁，使得Fe3+在TiO2气凝胶中达到分子水平上的均匀分布。当铁含量nFe∶nTi=0.05时，制备态Fe3+掺杂TiO2气凝胶的比表面积为529.17m2/g，平均孔径为20.10nm，孔容为0.78cm3/g。经850℃空气气氛下热处理4h后，TiO2气凝胶转变为锐钛矿型结构，平均孔径增大至22.32nm，比表面积仍有136.22 m2/g，孔容降低到0.28cm3/g。相比纯TiO2气凝胶，Fe3+掺杂TiO2气凝胶样品对甲基橙的光催化降解率最高，2小时后可达50％以上。