روش سل-ژل ۱

روش سل-ژل ۱Reviewed by جلالی on Aug 16Rating:

روش سل-ژل

روش سل-ژل ۱

جلسه ۱ :

رآیند سُل- ژل (‏Sol-gel‏) یک روش شیمیایی تر (Wet Chemical Method) برای سنتز انواع نانوساختار ها به ویژه نانوذرات ‏اکسید فلزی می باشد. در این روش پیش ماده مولکولی (معمولاً آلکوکسید فلزی) در آب یا آلکل حل ‏شده و با حرارت و همزدن در اثر هیدرولیز/الکلیز (معادلات ۱و۲) به ژل تبدیل می شود. حال باید ژل ‏را خشک کرد که برای محلول الکلی می تواند با سوختن الکل انجام پذیرد. پس از خشک کردن ژل ‏آنرا پودر می کنند و پودر حاصله را جهت کلسینه شدن (Calcination) حرارت می دهند. روش سل- ژل روش ارزانی است و به دلیل دمای پایین واکنش (Low Temperature Technique) می توان کنترل مناسبی بر ترکیب ‏شیمیایی محصولات داشت. سل- ژل می تواند در فرآیند ساخت سرامیک ها به عنوان ماده قالب گیری در قالب ‏استفاده شود (Casting) یا به عنوان حد واسط فیلم های خیلی نازک (Thin Films) از اکسیدهای فلزی برای فرآیندهای مختلف ‏استفاده شود. مواد حاصل از روش تهیه سل- ژل می تواند در کاربردهای متفاوت نوری (Optics)، ‏الکترونیک، انرژی، سطح، سنسورهای زیستی (‏Biosensors‏ )، دارویی و تکنولوژی جداسازی (مثل کروماتوگرافی-Chromatography) ‏به کار برده شود.

[divider]

۱ مقدمه


روشهای زیادی، از جمله فرآیند سل- ژل (روش محلولی)، تراکم بخار خنثی، آلیاژسازی مکانیکی یا برخورد باگلوله های پر انرژی، روش پلاسما و روش های الکتروشیمیایی از روشهای معمول برای تولید نانو ذرات هستند. اگر چه همه روشهای ذکر شده برای تولید حجم زیادی از نانو مواد استفاده می شوند، اما روش سل- ژل دارای محبوبیت و کاربرد صنعتی بالاتری نسبت به سایر روش های موجود است و این امر بی علت نیست! سل – ژل هم اکنون می تواند نانو ذراتی با کیفیت بالا ( تولید ذرات با اندازه یکسان) را در حجمی بالا تولید کند. این روش قادر است همزمان دو یا چند نوع نانو ذره را با هم تولید کند. مفهوم این جمله این است که با مخلوط کردن پیش ماده های سنتز دو یا چند فلز ( یا اکسید فلز ) مختلف با نسبت های معین قادر خواهیم بود که محصولات آلیاژی را در یک مرحله سنتز کنیم. البته روش های دیگری هم هستند که قادر به انجام چنین کاری می باشند (روش پلاسما و روش های الکتروشیمیایی و چگالش از فاز) ولی باید خاطر نشان کرد که در مقیاس صنعتی هیچ کدام از آنها قادر به رقابت با روش سل – ژل نیستند.
روش سل- ژل همچنین می تواند امکان ساخت کامپوزیتهای بسیار همگن و با خلوص بسیار بالا ( با ۹۹.۹۹ درصد خلوص ) را فراهم کند. همچنین این روش قادر است نسبت به روشهای رایج که محدوده دمایی بسیار بالایی ( بین ۱۴۰۰ تا ۳۶۰۰ درجه سانتیگراد ) دارند، نانو مواد سرامیکی و فلزی را در دماهای بسیار پایین تری ( حدود ۷۰ تا ۳۲۰ درجه سانتیگراد ) تولید کند.


از دیگر دلایل محبوبیت روش سل – ژل به اختصار می‌توان موارد زیر را ذکر کرد:
۱) سنتز در دمای پائین
۲) ابزار انجام آن ساده است
۳) تهیه محصولاتی با خلوص بالا
۴) راندمان تولید بسیار بالا
۵) تولید قطعات اپتیکی با اشکال پیچیده
۶) سنتز ترکیبات یکنواخت به صورت اکسیدهای کامپوزیتی
۷) امکان طراحی ترکیب شیمیایی و به‌دست آوردن ترکیب همگن وجود دارد
۸) امکان استفاده از محصول به اشکال خاص مثل الیاف ، آئروژل و تهیه پوشش سطوح
۹) امکان استفاده از این فرایند برای سنتز مواد در حالت بی¬شکل و به کارگیری آنها جهت لایه‌های نازک
۱۰) تولید مواد دارای خواص فیزیکی اصلاح شده مانند ضریب انبساط حرارتی پایین و ‏جذب اشعه ‏Uv‏ کم و شفافیت اپتیکی بالا
۱۱) تولید مواد متخلخل که اجازه غنی شدن با ترکیبات آلی و پلیمری را می دهد
۱۲) واکنش پذیری شیمیایی بالای پیش ماده ها به دلیل انجام فرایند در فاز محلول
۱۳) کنترل دقیق ساختار مواد با امکان تنظیم متغیرهای مرحله اولیه تشکیل سل و تشکیل ‏شبکه
۱۴) سرمایه‌گذاری اولیه کم و در عین حال کیفیت بالای محصولات


فرآیند سل- ژل روش جدیدی نیست. در سال ۱۸۰۰ «ابل‌من» به طور اتفاقی مشاهده کرد که تتراکلرید سیلیکون (SiCl4) که در ظرفی رها شده بود، ابتدا هیدرولیز و سپس به ژل تبدیل شد. در سال ۱۹۵۰ مطالعات گسترده‌ای در زمینه سنتز سرامیکﻫﺎ و ساختارهای شیشه‌ای با استفاده از این روش آغاز شد. شایان ذکر است که با این روش، بسیاری از اکسیدهای غیرآلی مانند TiO2، SiO2، ZrO2سنتز شدند. آئروژل ها یکی از محصولات فرایند سل- ژل هستند. ساده ترین تعریف از یک آئروژل، ژلی خشک است که با حذف رطوبت از یک ژل مرطوب به دست آمده است. بسته به شیوه حذف رطوبت، ساختمان این ژل تا حد زیادی ساختار ژل خیس (ژل اولیه) را حفظ می کند. ژل خیس را می توان با فرایندهای مختلفی آماده کرد. به این روشها عموماً روشهای سل- ژل اطلاق می شود. در زیر واکنش های شیمیایی درگیر در روش سل ژل به اختصار آورده شده است:

 

filereader.php?p1=main_5f2b9323c39ee3c86
شکل۱- خلاصه واکنش های سل-ژل
filereader.php?p1=main_5890595e16cbebb88
شکل ۲- ژل خیس، ژل خشک، آئروژل
به طور کلی در هر فرآیند شیمیایی (Chemical Process) محصول بدست آمده، حاصل واکنش های شیمیایی مختلف است. در روند فرایند سل ژل نیز واکنش های مختلفی رخ می دهد تا محصول نهایی بدست آید. در این قسمت به بررسی تفصیلی مهمترین واکنش هایی خواهیم پرداخت که فرایند سل ژل بر پایه آنها بنا شده است. 


۲ مراحل فرآیند سل ژل

برای تولید محصول به روش سل – ژل لازم است ابتدا مقدمات و شرایط لازم برای واکنش ها را فراهم نمود.

۲-۱ تهیه محلول همگن (Homogeneous)

لازم است تا در ابتدا یک محلول همگن شامل حلال و پیش ماده هایی که قرار است در طول فرآیند، محصول نهایی را شکل دهند آماده گردد. برای این کار ابتدا حلال ( آب، الکل، حلال های آلی یا نسبتی از آنها ) و پیش ماده (Precursor) را در یک ظرف حل می کنیم تا محلول همگن حاصل شود. گاهی لازم است تا از ترکیب دو حلال با نسبت های معین استفاده شود تا پیش ماده ها به طور کامل در آن حل شود و محلول همگن حاصل شود. به عنوان مثال برخی از پیش ماده های آلی فلزی را ابتدا باید در یک حلال آلی قابل حل در آب حل کرد و سپس محلول حاصل را در آب حل نمود. اما در مواردی که پیش ماده مورد نظر نمک فلزی باشد به طور مستقیم در آب قابل حل بوده و نیازی به حلال آلی وجود ندارد.
پیش ماده های آلکوکسیدی بیشتر مورد استفاده قرار می گیرند اما می توان به طریق دیگری غیر از مسیر الکوکسیدی نیز روش سل – ژل را پیش برد که به آن مسیر کلوئیدی گفته می شود. راجع به مزایا و معایب هر کدام از دو مسیر بالا در مجالی دیگر به طور مفصل بحث خواهد شد.
آلکوکسیدهای فلزی به عنوان پیش ماده روش سل ژل یک دسته از خانواده ترکیبات آلی فلزی می¬باشند که شامل یک بنیان آلی متصل به یک عنصر فلزی یا شبه فلزی می باشند . مثالی که اخیرا بسیار مورد مطالعه قرار گرفته تترا اتوکسید سیلسیم یا Si(OC2H5)4 می باشد. این پیش ماده با نام تترا اتوکسی سیلان (TEOS ) نیز شناخته می شود. در شکل زیر چند نمونه از آغازگرها متدوال برای سنتز اکسید سیلسیم آورده شده است.
filereader.php?p1=main_bd11537f1bc31e334
شکل ۳- چند نمونه از آغازگر های متداول برای سنتز SiO2 با روش سل ژل
۲-۲ تشکیل سل (Sol)

پس از ساخت یک محلول همگن باید آن را به سل تبدیل کرد. می توان گفت که واکنش هیدرولیز (Hydrolysis) پایه این مرحله است. اصولا کلمه هیدرولیز از ترکیب دو کلمه هیدرو و لیز تشکیل شده و مفهوم آن تجزیه بوسیله آب است. اصطلاح تجزیه به هر موردی اطلاق می شود که یک حالت پیچیده به حالتی ساده تر تبدیل گردد. در شیمی گاهی آب می تواند مولکولی را شکسته و به مولکول های ساده تری تبدیل کند. به طور خلاصه به دسته ای از واکنش ها که در آن آب مولکولی را شکسته (بر اثر یک واکنش شیمیایی) و به مولکول های ساده تر تبدیل می کند اصطلاحا هیدرولیز می گوییم.
 

filereader.php?p1=main_905ad4f16a809a8f8
شکل ۴- نمای کلی از تمامی مراحل سل ژل
واکنش هیدرولیز چندان پیچیده نیست. برای آغاز این فرآیند کمی آب به محیط واکنش افزوده می شود ( این در حالتی است که محلول همگن در حلالی فاقد آب تهیه شده باشد ). حضور آب باعث خواهد شد تا واکنش هیدرولیز بر روی پیش ماده صورت گیرد و به نوعی آن را فعال کرده تا ذرات اکسید فلزی گرد هم آمده و تشکیل ذرات ریز و جامدی بدهند که در حلال پراکنده هستند. به چنین ترکیبی سل (به عنوان یک محصول میانی فرآیند) اطلاق می شود. 

filereader.php?p1=main_c6b1847fa30bd92ff
شکل ۵- نمای کلی از واکنش هیدرولیز
سل از کلمه انگلیسی Solution به معنای محلول گرفته شده و لذا محلولی است کلوئیدی از واکنش دهنده‌های مختلف، (مثل پیش ماده ها، حلال، کاتالیزورهای اسیدی یا بازی و سایر افزودنی ها مورد نیاز) که قرار است در ادامه واکنش طی مراحل هیدرولیز و تراکم به ژل تبدیل شود. البته لازم است که به این نکته اشاره گردد که سل ها کمی با محلول های حقیقی متفاوت هستند. در محلول حقیقی جسم حل شونده به صورت اتم٬ مولکول و یا یون درحلال به طور یک نواخت پراکنده شده و اندازه ذرات از ۱ nm تجاوز نمی کند. اما اگر اندازه ذرات بزرگتر از ۱۰۰ nm باشد، به تدریج ته نشین می شوند (مخلوط سوسپانسیونی). اگر اندازه ذرات بین ۱ تا حدود ۱۰۰ متغیر باشد، معمولا به صورت پراکنده درهمه جای مخلوط باقی می ماند که به این گونه مخلوط ها کلویید می گویند. سل ها شامل ذرات بسیار ریز ( کمتر از ۱۰۰ nm ) پراکنده شده در فاز حلال هستند و در واقع یک محلول یا به اصطلاح درست تر مخلوط کلوییدی را تشکیل می دهد. پس با توجه به همه توضیحات بالا می توان سل را اینگونه تعریف کرد که: ” سل عبارتست از مخلوط جامد پراکنده شده در مایع که به علت کوچکی ذرات جامد قادر است برای مدت بسیار طولانی ( ماه¬ها ) پایدار بماند و ته نشین نشود. ”
مهمترین نکته ای که راجع به یک سل خوب و قابل قبول باید گفت این است که سل حاصل باید به گونه¬ای تهیه شود تا بتواند برای ماه ها پایدار باشد و رسوب نکند. به عبارت دیگر باید اندازه ذرات آنقدر کوچک باشد که حرکات براونی (Brownian Motion) ذرات بر نیروی جادبه زمین غلبه کرده و ذرات ته نشین نشوند و و برای مدت طولانی همگن باقی بمانند. اگر سل حاصل دارای چنین ویژگی باشد می توان امیدوار بود تا محصولی همگن، خالص و با بازده بالا تولید شود.

۲-۳ تشکیل ژل

برای این کار کافی است، محلول ساخته شده را به نوعی تحریک کرده، تا ذرات ریز پراکنده شده (که هر کدام شامل چند تا چند ده واحد مولکولی یا اتمی از آغارگر های مربوطه هستند) شروع به نوعی گردهمایی کنند. با ایجاد بر همکنش های ( فیزیکی و شیمیایی ) میان ذرات معلق پراکنده شده در محلول سل، آنها به صورت واحد هایی متشکل از چند ده هزار مولکول کنار هم جمع شده و تشکیل یک مولکول سه بعدی بی نهایت بزرگ می دهند که نوعا تمام حجم ظرف واکنش را به خود اختصاص می دهد.
filereader.php?p1=main_53453c482d4d75c2f
شکل ۶ – واکنش تراکم
این مولکول غول پیکر که دارای خلل و فرج بسیار فراوانی است تمام حلال را در درون خود به دام می اندازد، و ژل خیس ( Wet Gel ) نام دارد. 

filereader.php?p1=main_d8db410ef2444bf4b
شکل ۷ – نمای کلی برای واکنش تراکم و تبدیل به ژل
 
برای تولید ژل خیس نیاز به تحریک محلول سل داریم تا به ژل برسیم. این تحریک می تواند با استفاده از معرف مناسب ( آب خالص یا آب به همراه NaOH , HCl ) انجام شود. در واقع در مرحله تبدیل سل به ژل که توسط واکنش¬هایی موسوم به تراکم (Condensation) کنترل می شوند، یک واکنش بسپارش معدنی (Inorganic Polymerization) به شمار ‏می رود که محصول نهایی آن شبکه اکسیدی حاوی خوشه های اکسید فلزی ‏M-O-M‏ است.‏ 

filereader.php?p1=main_2e3f209d4f2bb3466
شکل ۸ – تصویر مدل سه بعدی مربوط به واکنش تراکم
واکنش تراکم دقیقا عکس واکنش هیدرولیز است. در هیدرولیز مولکولی درشت با مصرف آب به اجزاء ساده تر تبدیل می شود، اما در تراکم دو مولکول ساده به هم می پیوندند و تشکیل یک مولکلول پیچیده تر را می دهند. در حاشیه این ترکیب شدن یک مولکول کوچک مثل آب آزاد می شود. یک واکنش تراکمی وقتی انجام می شود که دو هیدروکسید ( یا یک هیدروکسید + یک آلکوکسید ) فلزی (M-OR+HO-M) با هم ترکیب می شوند تا یک اکسید فلزی(M-O-M) ایجاد کنند. ژل در نهایت به عنوان محلول ساخته می شود. در مرحله بعد باید به روشی حلال را از آن جدا کنیم تا فرآیند تکمیل شود. ژل ها انواع مختلفی دارند، که هر کدام خصوصیات و کاربردهای مخصوص به خود را دارند. بسته به نوع حلال مورد استفاده یا نوع روش خشک کردن، اسامی، ویژگی ها و کاربردهای آنها متفاوت خواهد بود.پخش انیمیشن آنلاین  :

۳ بحث و نتیجه گیری:

روش سل ژل، روش ارزان و قابل دسترس برای تولید در حجم صنعتی می باشد. در این روش با ساخت یک محلول سل خوب ( شفاف و پایدار ) و تبدیل آن به ژل طی فرآیند هیدرولیز و در پی آن تراکم به محصول ژل خیس رسیده و با یکی از روش هایی که برای خشک کردن ژل خیس وجود دارد، ژل را خشک کرده و به محصول نهایی که یک ساختار جامد متخلخل است می رسیم. نحوه خشک کردن بستگی مستقیم به نوع محصول و ویژگی های آن دارد. در مقاله دیگر به تفصیل به این موارد پرداخته خواهد شد.


سایتی به وسعت همه چیز که در اون سعی میکنم تجربیات و مطالب در خور توجه رو که دوستشون دارم قرار بدم و امیدوارم با پیشنهادات و انتقادات خودتون من رو راهنمایی کنید. با تشکر


2 دیدگاه های نوشته “روش سل-ژل ۱

    1. جلالی نویسنده نوشته

      میتوانید از منبع زیر استفاده کنید به عنوان رفرنس
      ۱. Niederberger M., Pinna N. “Metal Oxide Nanoparticles in Organic Solvents: Synthesis, Formation, Assembly and Application (Engineering Materials and Processes)”, Springer, (2009).

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دوست داری سایت خودتو داشته باشی همین الان این کار رو بکن
امتیاز دهید:
به این صفحه

به این سایت
برای محبوب کردن سایت روی 1+ کلیک کنید