氧化锆湿凝胶中乙酰丙酮配体的脱除机理及气凝胶复合材料的制备

doi:10.7503/cjcu20210254

高等学校化学学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (9): 2904.doi: 10.7503/cjcu20210254

氧化锆湿凝胶中乙酰丙酮配体的脱除机理及气凝胶复合材料的制备

李占峰¹, 刘本学¹(), 刘晓婵¹, 王新强²(), 张晶¹, 于诗摩¹, 赵新富¹, 张新恩¹, 伊希斌¹()

^1.齐鲁工业大学(山东省科学院)新材料研究所, 济南 250014
^2.山东大学晶体材料国家重点实验室, 晶体材料研究所, 济南 250100

收稿日期:2021-04-16 出版日期:2021-09-10 发布日期:2021-09-08
通讯作者: 刘本学,王新强,伊希斌 E-mail:liubenxue@sdas.org;xqwang@sdu.edu.cn;yixb@sdas.org
基金资助:
山东省自然科学基金(ZR2020QE037);齐鲁工业大学(山东省科学院)产学研协同创新基金(2020-CXY35)

Mechanism of the Removal of Acetylacetone Ligands in Zirconia Wet Gel and Fabrication of Zirconia Aerogel Composites

LI Zhanfeng¹, LIU Benxue¹(), LIU Xiaochan¹, WANG Xinqiang²(), ZHANG Jing¹, YU Shimo¹, ZHAO Xinfu¹, ZHANG Xin’en¹, YI Xibin¹()

^1.Advanced Material Institute，Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences），Jinan 250014，China
^2.State Key Laboratory of Crystal Materials，Institute of Crystal Materials，Shandong University，Jinan 250100，China

Received:2021-04-16 Online:2021-09-10 Published:2021-09-08
Contact: LIU Benxue,WANG Xinqiang,YI Xibin E-mail:liubenxue@sdas.org;xqwang@sdu.edu.cn;yixb@sdas.org
Supported by:
the Natural Science Foundation of Shandong Province，China(ZR2020QE037);the Science ? Education ? Industry Integration Innovation Foundation of Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences），China(2020 ? CXY35)

摘要/Abstract

摘要：

利用正硅酸四甲酯、正硅酸四乙酯、硼酸三乙酯浸泡聚乙酰丙酮合锆湿凝胶, 通过红外光谱(IR)、元素分析(EA)、 X射线光电子能谱(XPS)和色谱-质谱联用(GC-MS) 等技术证实了有机硅(硼)烷浸泡湿凝胶可加速乙酰丙酮配体的脱除, 并推断了相关反应机理. 利用正硅酸四甲酯浸泡聚乙酰丙酮合锆湿凝胶显著强化了凝胶骨架, 通过低成本干燥技术可以获得纳米多孔、高比表面积的ZrO₂气凝胶. 在石英纤维增强的ZrO₂气凝胶复合材料中, 纤维骨架进一步阻止了干燥收缩, 微波干燥即可获得超轻质石英纤维/二氧化锆气凝胶复合材料(SFZA), 稳态平板测试结果表明, 其在1000 ℃下的导热系数最低可至0.042 W?m^-1?K^-1, 1200 ℃下导热系数最低可至0.063 W?m^-1?K^-1.

关键词: 氧化锆气凝胶, 复合材料, 聚乙酰丙酮合锆, 隔热材料

Abstract:

It was reported that the removal of acac ligands can be accelerated by soaking polyacetylacetonato-zirconium（PAZ） wet gel in organic silane（tetramethyl orthosilicate， tetraethyl orthosilicate） or organic borane（triethyl borate）. Moreover， it was confirmed that soaking wet gel in siliane（borane） can accelerate the removal of acac ligands through infrared spectrum， elemental analysis， X-ray photoelectron spectroscopy， chromatography-mass spectrometry， etc. Meanwhile， the mechanism was be deduced. By soaking PAZ wet gel in organic silane， the gel skeleton was strengthened as well. Therefore， nanoporous ZrO₂ aerogels with high specific surface area could be obtained by inexpensive drying techniques. In addition， to prepare the ultra-lightweight silica fiber/zirconia aerogel（SFZA）， the ZrO₂ aerogel matrix was also composite with ultrafine quartz fiber， which further prevents drying shrinkage. Based on the plate heat flow method the lowest thermal conductivity coefficient of the SFZA was 0.042 and 0.063 W?m^-1?K^-1 at 1000 and 1200 ℃， respectively.

Key words: ZrO₂ aerogel, Composite, Polyacetylacetonatozirconium, Thermal insulation material

中图分类号:

O648

TrendMD:

李占峰, 刘本学, 刘晓婵, 王新强, 张晶, 于诗摩, 赵新富, 张新恩, 伊希斌. 氧化锆湿凝胶中乙酰丙酮配体的脱除机理及气凝胶复合材料的制备. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2904.

LI Zhanfeng, LIU Benxue, LIU Xiaochan, WANG Xinqiang, ZHANG Jing, YU Shimo, ZHAO Xinfu, ZHANG Xin’en, YI Xibin. Mechanism of the Removal of Acetylacetone Ligands in Zirconia Wet Gel and Fabrication of Zirconia Aerogel Composites. Chem. J. Chinese Universities, 2021, 42(9): 2904.

图/表 8

Fig.1 Photograph of aerogel(A) and IR spectra(B) of PAZ aerogel(a), PAZ xerogel modified by TEOS(b), PAZ xerogel(c) and PAZ(d)

Table 1 Proportion of elements in xerogel

Sample	x（%， EA）			x（%， XPS）
Sample	C	H	N	C
PAZ xerogel	16.43	3.50	0.70	48.76
PAZ xerogel modified by TEOS	7.51	2.77	0.56	15.52

Fig.2 GC(A)?MS(B) spectra of TEOS solution after soaking wet gel

Scheme 1 Modification reaction equations and mechanism of soaking wet gel with TEOS

Fig.3 IR spectra of TMOS?modified PAZ xerogel(a), TEOS?modified PAZ xerogel(b), TMOS?modified PAZ xerogel(c), PAZ xerogel(d)(A) and TEB?modified PAZ xerogel(a), TEOT?modified PAZ xerogel(b), ZPO?modified PAZ xerogel(c), PAZ xerogel(d)(B)

Table 2 Properties of aerogels obtained from different drying methods

Method

Density/（kg?m^-3）

Surface

area/（m²?g^-1）

Pore

volume/（cm³?g^-1）

Pore size/nm

Skeleton

density/（kg?m^-3）

Relative

cost

Fig.4 Properties of aerogels obtained from different drying methods

Fig.5 Thermal conductivities of SFZA and thermal insulation materials in other studies

参考文献 29

1	Cahill J. T.， Turner S.， Ye J.， Shevitski B.， Aloni S.， Baumann T. F.， Zettl A.， Kuntz J. D.， Worsley M. A.， Chem. Mater.，2019， 31（10）， 3700—3704
2	Rewatkar P. M.， Taghvaee T.， Saeed A. M.， Donthula S.， Mandal C.， Chandrasekaran N.， Leventis T.， Shruthi T. K.， Sotiriou⁃Leventis C.， Leventis N.， Chem. Mater.，2018， 30（5）， 1635—1647
3	Xu X.， Zhang Q. Q.， Hao M. L.， Hu Y.， Lin Z. Y.， Peng L. L.， Wang T.， Ren X. X.， Wang C.， Zhao Z. P.， Wan C. Z.， Fei H. L.， Wang L.， Zhu J.， Sun H. T.， Chen W. L.， Du T.， Deng B. W.， Cheng G. J.， Shakir I.， Dames C.， Fisher T. S.， Zhang X.， Li H.， Huang Y.， Duan X. F.， Science，2019， 363， 723—727
4	Zu G. Q.， Shen J.， Wang W. Q.， Zou L. P.， Lian Y.， Zhang Z. H.， Liu B.， Zhang F.， Chem. Mater.，2014， 26（19）， 5761—5772
5	Hrubesh L. W.， Pekala R. W.， J. Mater. Res.，1994， 9（3）， 731—738
6	Lecomte A.， Blanchard F.， Dauger A.， Silva M. C.， Guinebretiere R.， J. Non⁃Cryst. Solids，1998， 225， 120—124
7	Gash A. E.， Tillotson T. M.， Satcher J. H. Jr.， Hrubesh L. W.， Simpson R. L.， J. Non⁃Cryst. Solids，2001， 285， 22—28
8	Du A.， Zhou B.， Shen J.， Xiao S. F.， Zhang Z. H.， Liu C. Z.， Zhang M. X.， J. Non⁃Cryst. Solids，2009， 355（3）， 175—181
9	Zhong L.， Chen X. H.， Song H. H.， Guo K.， Hu Z. J.， RSC Adv.，2014， 4（60）， 31666—31671
10	Suh D. J.， Park T. J.， Han H. Y.， Lim J. C.， Chem. Mater.，2002， 12， 1452—1454
11	Hayashi H.， Suzuki H.， Kaneko S.， J. Sol⁃Gel Sci. Technol.，1998， 12， 87—94
12	Xiang Y. L.， Du A.， Li X. G.， Sun W.， Wu S.， Li T. M.， Liu M. F.， Zhou B.， Optical Materials，2017， 69， 265—273
13	Liu B. X.， Liu X. C.， Zhao X. F.， Fan H. L.， Zhang J.， Yi X. B.， Gao M.， Zhu L. Y.， Wang X. Q.， Chem. Phys. Lett.，2019， 715， 109—114
14	Liu B. X.， Gao M.， Liu X. C.， Xie Y. S.， Yi X. B.， Zhu L. Y.， Wang X. Q.， Shen X. D.， RSC Adv.，2018， 8（72）， 41603—41611
15	Liu B. X.， Gao M.， Liu X. C.， Zhao X. F.， Zhang J.， Yi X. B.， ACS Appl. Nano. Mater.，2019， 2（11）， 7299—7310
16	Wang Q. P.， Li X. L.， Fen W. P.， Ji H. M.， Sun X. H.， Xiong R.， J. Porous Mater.，2013， 21（2）， 127—130
17	Schmidt H.， Sholze H.， Kaiser A.， J. Non⁃Cryst. Solids，1984， 63， 1—11
18	Husing A.， Schubert U.， Angew. Chem.， Int. Ed.，1998， 37， 22—45
19	Pearson R. G.， Science，1966， 151， 172—177
20	Pearson R. G.， J. Am. Chem. Soc.，1963， 84（16）， 3533—3539
21	Pearson R. G.， J. Chem. Educ.，1968， 45， 581—587
22	Pearson R. G.， J. Chem. Educ.，1968， 45， 643—648
23	Parr R. G.， Pearson R. G.， J. Am. Chem. Soc.，1983， 105， 7512—7516
24	Guo X. Z.， Shan J. Q.， Lei W.， Ding R. H.， Zhang Y.， Yang H.， Polymers（Basel），2019， 11（2）， 375—390
25	Du D. X.， Jiang Y. G.， Feng J. Z.， Li L. J.， Feng J.， Vacuum，2020， 173， 109—117
26	He J.， Li X. L.， Su D.， Ji H. M.， Wang X. J.， J. Eur. Ceram. Soc.，2016， 36（6）， 1487—1493
27	He J.， Zhao H. Y.， Li X. L.， Su D.， Ji H. M.， Yu H. J.， Hu Z. P.， Ceram. Int.，2018， 44（8）， 8742—8748
28	Wang J.， Kuhn J.， Lu X.， J. Non⁃Cryst. Solids，1995， 186， 296—300
29	Wiener M.， Reichenauer G.， Braxmeier S.， Hemberger F.， Ebert H. P.， Int. J. Thermophys.，2009， 30（4）， 1372—1385

[1]	于鹏东, 关兴华, 王冬冬, 辛志荣, 石强, 殷敬华. 新型光、热双响应形状记忆聚合物的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220085.
[2]	赵盛, 霍志鹏, 钟国强, 张宏, 胡立群. 改性钆/硼/聚乙烯纳米复合材料的制备及对中子和伽马射线的屏蔽性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(6): 20220039.
[3]	赵君禹, 王春博, 王成杨, 张克, 丛冰, 杨岚, 赵晓刚, 陈春海. 导热膨胀石墨/聚醚酰亚胺复合材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(4): 20210800.
[4]	储瑶, 王烁, 张子诺, 王艺博, 蔡以兵. 铜粒子负载泡沫基相变复合材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(2): 20210619.
[5]	李淑蓉, 王琳, 陈玉贞, 江海龙. 金属-有机框架材料在液相催化化学制氢中的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2022, 43(1): 20210575.
[6]	赵凌云, 黄汉雄, 罗杜宇, 苏逢春. 复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2953.
[7]	高晓乐, 王家信, 李志芳, 李艳春, 杨冬花. 复合材料NiO_x-ZSM-5的制备及微生物电解池催化析氢性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(9): 2886.
[8]	魏敏敏, 袁泽, 闾敏, 马辉, 谢小吉, 黄岭. 稀土掺杂上转换纳米颗粒-金属有机骨架复合材料的研究进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(8): 2313.
[9]	王献伟, 柯红军, 袁航, 鲁戈舞, 李丽英, 孟祥胜, 宋书林, 王震. 耐高温可溶性聚酰亚胺树脂及其复合材料[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2041.
[10]	丁嘉乐, 金兰, 崔增多, 张海博, 张云鹤, 姜振华. 具有双交联网络结构的纳米复合材料的制备及介电性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 2015.
[11]	杨思娴, 钟文钰, 李超贤, 苏秋瑶, 许炳佳, 何谷平, 孙丰强. 聚苯胺纳米线/SnO₂复合光催化材料的光化学制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(6): 1942.
[12]	巴智晨, 梁大鑫, 谢延军. MXenes复合材料的发展: 界面调控及结构设计[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 1225.
[13]	张淑婷, 安琪. 高性能聚偏氟乙烯基柔性压电材料的设计策略进展[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(4): 1114.
[14]	贾并泉, 叶斌, 赵伟, 许钫钫, 黄富强. 金属相1T´ MoS₂增强类石墨相C₃N₄的可见光催化性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(2): 615.
[15]	张如强, 张国亮, 龙柱, 张丹, 李志强, 王士华, 胡爱林. 轻质柔性聚酰亚胺纸基电磁屏蔽材料的制备与性能[J]. 高等学校化学学报, 2021, 42(10): 3211.

氧化锆湿凝胶中乙酰丙酮配体的脱除机理及气凝胶复合材料的制备

Mechanism of the Removal of Acetylacetone Ligands in Zirconia Wet Gel and Fabrication of Zirconia Aerogel Composites

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