[发明专利]一种通用的高速溶胶凝胶法

说明书

技术领域

本发明涉及一种通用的高速溶胶凝胶法。所述的新型溶胶凝胶法适用于合成纳米材料，尤其是含有多种组成元素的化合物。

背景技术

随着材料化学、材料化工和纳米技术的发展，新合成方法不断步入现有领域，为相关领域的发展和应用开辟了更加广阔的空间。

高温固相合成技术是合成金属氧化物常用的方法，它具有操作简便，易于工业化生产的优点。但是该方法合成温度高、烧结时间长、能耗大、生产效率低、产物的粒径分布不易控制、一致性和重现性较差；共沉淀法是在含有多种金属阳离子的溶液中加入共沉淀剂使金属阳离子完全沉淀的方法称为共沉淀法。沉淀物经过过滤、洗涤、干燥、热处理等步骤后得到所需要的材料。共沉淀法工艺简单、操作简便、掺杂元素均匀分布、成本较低，适合于工业化生产，但其煅烧较高、煅烧时间较长、过滤洗涤需要较长时间且产生大量废水。

溶胶凝胶法，是基于有机弱酸可以络合金属离子，将金属阳离子均一的嵌在聚合物基体上而形成反应前驱体，热解反应前驱体后即可得到颗粒细小的均匀的产物粉末。与传统的高温固法和共沉淀法相比，溶胶凝胶方法具有明显的优越性，如合成温度低、合成时间短、粒子小、粒度分布窄、均一性好、比表面积大等。特别是在合成含有多种过渡金属氧化物时，溶胶凝胶方法可以保证各种金属离子在原子级水平均匀混合，从而降低离子在晶格重组时迁移的距离和迁移所必需的活化能，有利于降低反应温度和缩短反应时间、生成物相纯度高、符合计量比的产物，有利于产物性能的提高与改善。但合成工艺复杂、所需时间长、成本高等缺点严重地制约了溶胶凝胶法的大规模应用及发展前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种通用、高速、易操作、成本低的新型溶胶凝胶法，以达到提高溶胶凝胶法性价比、可操作性并推动其大规模应用的目的。

本发明所述的溶胶凝胶法，即：向含有金属离子及弱酸根离子的水溶液中加入络合剂，在强力搅拌的下使金属阳离子均一的嵌在聚合物基体上并使得聚合物基体之间剧烈脱水，10分钟内迅速形成分子量大且含水量小的凝胶前驱体。因此，本发明所述的溶胶凝胶法能够大幅缩短由溶胶到凝胶所需的时间，有效提高反应效率。

本发明采用金属弱酸盐作为反应原料，其中金属离子为Li⁺、Na⁺、K⁺、Ni²⁺、Cu²⁺、Mn²⁺、Fe²⁺、Ca²⁺或Mg²⁺，弱酸根离子为CO₃^2-、HCO₃^-、CH₃CH₂O^-、Ac^-、HPO₃^2-或H₂PO₃^-；络合剂是由草酸和冰醋酸的水溶液混合而成，其中，草酸和冰醋酸的质量之比为1∶1～5∶1。本发明所采用的金属弱酸盐水溶液和络合剂的浓度分别为0.05～0.5mol/L和0.1～1mol/L，且金属弱酸盐水溶液和络合剂的体积比为10∶1～100∶1。

本发明所述的新型溶胶凝胶法的过程中，无需控制体系的pH值且操作温度范围跨度大。而且，凡是适用于传统溶胶凝胶法的金属离子均适用于本发明所述的溶胶凝胶法。尽管本发明所述的溶胶凝胶法也采用成本较高的金属弱酸盐作为反应原料，但在操作过程中络合剂及有机溶剂的消耗量较小。因此，与传统溶胶凝胶法相比，本发明所述的新型溶胶凝胶法不仅速度快、易操作，而且成本也有所下降，具有广阔的应用前景，为溶胶凝胶法的大规模应用奠定了坚实的基础。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明所述的新型溶胶凝胶法作进一步说明。

实例1

(1)根据化学式LiNi_1/3Co_1/3Mn_1/3O₂，将乙酸锂、乙酸镍、乙酸锰和乙酸钴按照化学剂量比在强力搅拌下配成0.2mol/L的水溶液，记为溶液A。在实际工艺中，考虑到Li的挥发性，配料时锂盐应过量3wt％。

(2)将草酸和冰醋酸按质量比为1∶1的比例混合均匀并配成0.5mol/L的水溶液，记为溶液B。

(3)在25℃下，将溶液A与溶液B在强力震荡搅拌下迅速混合得到溶胶，其中溶液A与溶液B的体积比为35∶1；将溶胶静置5min后得到凝胶。