[发明专利]过渡金属基气凝胶、过渡金属氧化物气凝胶、复合过渡金属氧化物气凝胶的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于气凝胶材料制备技术领域，具体涉及一种过渡金属基气凝胶、过渡金属氧化物气凝胶、复合过渡金属氧化物气凝胶的制备方法。

背景技术

气凝胶是一种由纳米量级超细微粒或高聚物分子相互聚集构成纳米多孔网络，并在孔隙中充满气态分散介质的一种高分散固态材料，其孔隙率可达80～99.8％，孔洞尺寸一般在1-100nm之间，密度范围可在3～600mg/cm³之间。

由于气凝胶材料具有独特的性能，如杨氏模量和热导率低、表观密度小、折射率小以及比表面积高等，它的可应用领域非常广泛：例如SiO₂气凝胶已成功应用于粒子检测器、隔热天窗以及太阳能收集作用的夹层窗等方面；SiO₂和Al₂O₃气凝胶被广泛应用于催化剂载体；而在惯性约束聚变与强激光实验研究方面，气凝胶材料以其密度低、吸附性与成型性好以及结构易控制等特点，成为一种重要的靶候选材料。

目前，应用溶胶-凝胶法和超临界干燥工艺已经制备出了多种气凝胶。其中，SiO₂、Al₂O₃和TiO₂等氧化物气凝胶的制备工艺已经比较成熟。这些氧化物气凝胶的制备过程通常为：以金属醇盐的溶液(如醇溶液)为前驱体，通过水解和缩聚获得相应的溶胶；随着水解和缩聚的持续进行，小的溶胶颗粒逐渐长大、交联，形成较大的无定形粒子；溶胶继续缩聚，直到大部分颗粒相互交联，使得溶胶不能流动，形成了初始湿凝胶；初始湿凝胶经过老化，使交联的骨架进一步牢固，再经多次洗涤除去杂质，进行超临界流体干燥过程，最终获得气凝胶材料。这种方法也是溶胶凝胶法中的经典方法。

除了上述的几种气凝胶材料以外，其它很多种类的气凝胶也可以通过以金属醇盐为前驱体的方法制备而得。然而，很多金属醇盐，特别是过渡金属醇盐，价格昂贵甚至极其难以获得。二价金属氧化物(如铜、镍、镉、锰、钴等元素的二价氧化物)难以形成三维网络结构，更使得其气凝胶的制备非常困难。Alexander E.Gash等人报道了用无机镍盐溶液与有机环氧化物反应制备镍基气凝胶的新工艺，并用此方法制备了Fe₂O₃和Cr₂O₃等一系列的过渡金属基气凝胶。而Brady J.Clapasaddle等人也运用此方法制备了多种过渡金属掺杂二氧化硅气凝胶材料。甘礼华、任洪波等人也对氧化铁气凝胶的制备做出了许多工作。但是Alexander E.Gash等人的方法制备的气凝胶种类有限、强度较低、而且较难以成型，Brady J.Clapasaddle等人的工艺也仅仅解决了多种过渡金属元素掺杂气凝胶的制备。这些方法还不能完全解决过渡金属元素基以及其氧化物气凝胶的制备难题。

然而，过渡金属氧化物气凝胶的可应用前景非常广泛，如多种高效氧化物催化剂都要求材料具有高的比表面积和催化活性，过渡金属氧化物气凝胶材料正好符合空隙率和比表面积极高，催化活性中心(无定形的晶界、晶角和位错丰富)极多等特点，在有机反应(如芳香化合物的卞基化)、污水处理以及汽车尾气处理等方面都可以有很好的应用；而且随着强激光实验中的对靶材料的选取从简单的轻质低原子序数材料发展到要求较高原子序数氧化物的轻质材料过程，高原子序数过渡金属(如钨、钽等)氧化物气凝胶也越来越受到重视。多种气凝胶的制备，将满足多种方面的应用需求。

美国劳伦兹-利沃莫尔国家实验室报道了采用环氧丙烷做凝胶促进剂制备镍、铁和铬基气凝胶的方法，甘礼华、任洪波等人也报道了氧化铁气凝胶的制备工艺，而采用聚丙烯酸为分散剂和环氧丙烷为制备多种过渡金属气凝胶的方法尚未见文献和专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提供一种成本低廉、反应简单、反应周期较短、适用范围广的过渡金属基气凝胶、过渡金属氧化物气凝胶、复合过渡金属氧化物气凝胶的制备方法。

本发明提出的过渡金属基气凝胶和过渡金属氧化物气凝胶的制备方法，采用无机分散溶胶凝胶法，具体步骤如下：

(1)将过渡金属无机盐溶于乙醇，配制成过渡金属离子乙醇溶液；

(2)向步骤(1)所得的溶液中依次加入去离子水、聚丙烯酸和环氧丙烷，搅拌均匀，静置1-360分钟，得到凝胶；其中，金属离子、乙醇、去离子水、聚丙烯酸、环氧丙烷的添加比例为6mmol∶6～30ml∶0.5～15ml∶0.5-5ml∶1-10ml；