Proces sol -gel je technologie materiálů včetně nanomateriálů, včetně výroby solu s jeho následným převedením na gel , tedy do koloidního systému tvořeného kapalným disperzním prostředím uzavřeným v prostorové mřížce tvořené spojenými částicemi. dispergované fáze.
Název "sol-gel proces" sdružuje velkou skupinu metod získávání (syntézy) materiálů z roztoků, jejichž podstatným prvkem je tvorba gelu v jedné z fází procesu. Nejznámější varianta sol-gel procesu je založena na procesech řízené hydrolýzy sloučenin, obvykle alkoxidů M(OR) x (M = Si , Ti , Zr, V, Zn, Al, Sn, Ge, Mo , W atd.) nebo odpovídající chloridy, ve vodném nebo organickém, často alkoholovém, prostředí.
V první fázi procesu sol-gel vedou reakce hydrolýzy a polykondenzace ke vzniku koloidního roztoku - částic sol - hydroxidu, jejichž velikost nepřesahuje několik desítek nm. Zvýšení objemové koncentrace dispergované fáze nebo jakákoli jiná změna vnějších podmínek ( pH , výměna rozpouštědla) vede k intenzivní tvorbě kontaktů mezi částicemi a tvorbě monolitického gelu, ve kterém jsou molekuly rozpouštědla uzavřeny v pružném, ale poměrně stabilním trojrozměrná síť tvořená částicemi hydroxidu. Soly se koncentrují s následnou želatinací dialýzou, ultrafiltrací, elektrodialýzou, odpařováním při relativně nízkých teplotách nebo extrakcí.
Mimořádně důležitou roli v procesu sol-gel hrají procesy odstraňování rozpouštědla z gelu (sušení). V závislosti na způsobu jejich provedení lze získat různé produkty syntézy ( xerogely , ambigely , kryogely , aerogely ), jejichž vlastnosti jsou popsány v příslušných částech. Společným znakem těchto výrobků je zachování nanorozměrných strukturních prvků a poměrně vysoké hodnoty měrného povrchu (stovky m²/g), i když objemová hmotnost se může lišit i stokrát. Většina produktů sol-gel syntézy se používá jako prekurzory při přípravě oxidových nanoprášků, tenkých filmů nebo keramiky. Metoda sol-gel je také účinná pro získání xerogelů s výraznou kvazijednorozměrnou strukturou. Například V 2 O 5 nH 2 O xerogel je základem pro syntézu nanotrubic oxidu vanadičného .
Odrůdy metody sol-gel, někteří autoři zahrnují proces polymer-gel, při kterém se tvorby gelu dosáhne zavedením ve vodě rozpustného polymeru do výchozího roztoku, následovaným odpařením, a metodou Pechini (citrát-gel). K získání uhlíkových kryogelů a aerogelů se používá sublimace nebo superkritické sušení polymerních gelů s následným tepelným zpracováním v inertní atmosféře.
Klasifikace porézních systémů je založena na jevu kapilární kondenzace [1] . Podle této klasifikace se póry, ve kterých dochází ke kapilární kondenzaci (a lze ji měřit), nazývají mezopóry. Větší póry se označují jako makropóry a menší póry se označují jako mikropóry. Mezi makropóry patří houbovité a korpuskulární systémy s velikostí pórů >50 nm. Mikropóry mají velikosti <2 nm, mezopóry [2, 50] nm.
Pokud uvažujeme póry v souvislosti s membránovým transportem hmoty, pak se používá další klasifikace: mikroporézní membrány jsou membrány s velikostí pórů <500 nm, zatímco makroporézní jsou >500 nm. Pokud je tedy průměr pórů mnohem menší než střední volná dráha molekul, dochází k realizaci Knudsenova proudění, kdy pravděpodobnost srážky molekul je menší než pravděpodobnost jejich srážky se stěnou póru a odrazu od ní.
Anorganické oxidové materiály mají vysokou pevnost, tepelnou stabilitu a chemickou odolnost, takže jejich rozsah je mnohem širší než u polymerů. Vysoce čisté a homogenní oxidové materiály lze získat metodou sol-gel. Při použití alkoxidů je produkt čistší a homogennější.
Přechod sol-gel je zahájen paralelními reakcemi: hydrolýzou a polykondenzací. V důsledku hydrolýzy alkoxysilanů je alkoxidová skupina nahrazena hydroxylovou skupinou. Hydrolýza se provádí pomocí katalyzátorů (minerální kyseliny, vodný roztok čpavku, kyselina octová, aminy, fluoridy alkalických kovů atd.) - jako katalyzátory jsou účinnější než zásady. V procesu polykondenzace se tvoří vazby
Kov - O - Kov
a vedlejšími produkty jsou voda nebo alkohol. Polykondenzace vede k růstu oligomerů oxidů kovů, které nakonec tvoří gelovou síť. Po vysušení a tepelném zpracování gelu lze získat amorfní a krystalické oxidové materiály ve formě filmů, vláken nebo prášků. Hromadné vzorky gelů praskají během sušení působením kapilárních tlakových sil a pro získání monolitických bloků musí být tato operace provedena za superkritických podmínek. V tomto případě se získají aerogely, jejichž pórovitost může dosáhnout 90 % [3] .