Phương phỏp sol – gel do R.Roy đề xuất năm 1956 cho phộp trộn lẫn cỏc chất ở quy mụ nguyờn tử; do đú sản phẩm thu được cú độ đồng nhất, độ tinh khiết cao, bề mặt riờng lớn, và phõn bố kớch thước hẹp.
Ưu điểm của phương phỏp này là cỏc giai đoạn của phản ứng cú thể điều khiển được để tạo sản phẩm như mong muốn, khụng gõy ụ nhiễm mụi trường. Sử dụng phương phỏp sol – gel, ta cú thể chế tạo ra cỏc hợp chất ở dạng khối, bột siờu mịn, màng mỏng và sợi. Để tổng hợp cỏc hạt nanosilica theo phương phỏp sol – gel thường đi từ hai khuynh hướng chớnh:
- Thủy phõn muối
- Thủy phõn cỏc alkoxide
Phương phỏp sol – gel theo con đường thủy phõn muối
Húa dầu và Xỳc tỏc hữu cơ – K20 23
Na2SiO3 + H2SO4 → SiO2 + H2O + Na2SO4
Kết quả tạo thành sol, rồi sol đụng tụ thành gel, sau khi rửa, sấy khụ và nung ta thu được nanosilica.
Phương phỏp sol – gel đi từ cỏc alkoxide
Phản ứng tổng hợp nanosilica bằng phương phỏp sol –gel thường là phản ứng thủy phõn tetraalkoxysilan, phương phỏp này được mụ tả bởi hai loại phản ứng cơ bản là phản ứng thủy phõn và polyme húa ngưng tụ [26].
Phản ứng thủy phõn: thủy phõn cỏc alkoxide để tạo liờn kết Si – OH
R: gốc ankyl
Phản ứng polyme húa ngưng tụ: tiếp theo, phõn tử trung gian mới được tạo thành tiếp tục phản ứng với phõn tử TEOS ban đầu để tạo ra mối liờn kết Si – O – Si, dưới đõy là hàng loạt phản ứng polyme húa ngưng tụ:
- Phản ứng ngưng tụ nước:
- Hoặc phản ứng ngưng tụ rượu:
Và cỏc phõn tử mới được tạo thành sẽ nối với nhau theo phản ứng polyme húa để tạo ra bộ khung cấu trỳc cuối cựng.
Như vậy, quỏ trỡnh sol – gel bao gồm cả hai phản ứng cơ bản:
Si OH + RO Si Si O Si + ROH H+ or OH- Si OH + OH Si H Si O Si + H2O + or OH- OR + H2O Si OH + ROH Si
Húa dầu và Xỳc tỏc hữu cơ – K20 24
- Đầu tiờn là cỏc phản ứng thủy phõn tạo dung dịch hoạt tớnh.
- Tiếp theo là phản ứng polyme húa đa ngưng tụ cựng với sự tiếp tục thủy phõn.
Tuy nhiờn cỏc sản phẩm của quỏ trỡnh polyme húa, tốc độ cỏc phản ứng, pH hay cỏc chất thờm vào khỏc nhau đều ảnh hưởng đến quỏ trỡnh điều chế. Cơ chế thực tế của quỏ trỡnh polyme húa chưa được hiểu rừ một cỏch đầy đủ và cú thể chỉ được rỳt ra từ cỏc kết quả thực nghiệm. Quỏ trỡnh sol – gel cho phộp chỳng ta kiểm tra bản chất và xu hướng polyme húa trong cấu trỳc thủy tinh.
Chất lượng và hỡnh dạng của sản phẩm cuối cựng tựy thuộc vào loại alkoxide được TEOS/H2O và cỏc chất khỏc sử dụng trong phản ứng. Tỉ lệ mol giữa TEOS/H2O sẽ đúng vai trũ quan trọng trong việc hỡnh thành sản phẩm cuối cựng.
Sau khi gel được hỡnh thành, nú thường ở dạng xốp và cũn chứa cỏc chất lỏng trong phần cỏc lỗ xốp. Cỏc chất lỏng này sẽ thường được loại bỏ qua cỏc quỏ trỡnh sấy và xử lý nhiệt về sau. Để nhận được cỏc oxit sản phẩm cuối cựng, thỡ cỏc khối gel xốp vụ định hỡnh này phải được nung để tỏch loại cỏc chất lỏng cũn lại trong cỏc lỗ xốp và loại bỏ bản thõn cỏc lỗ xốp. Sol – gel cũn là một phương phỏp sỏng tạo ra cỏc vật liệu mới, với nhiều ưu điểm trong nghiờn cứu chế tạo vật liệu mới như dựng để chế tạo ra cỏc tinh thể dạng bột, bột siờu mịn, nano tinh thể, dạng thủy tinh khối, dạng màng mỏng.
Phương phỏp này thường được sử dụng để tổng hợp nanosilica dạng xốp (mesoporous). Sản phẩm nanosilica tạo thành theo phương phỏp này thường ưa nước, khú tương hợp với nền polyme và việc biến tớnh để sử dụng cho cỏc mục đớch khỏc nhau là rất cần thiết.