Phương pháp sol – gel là một phương pháp tổng hợp vật liệu hiện đại, nhờ khả năng điều khiển tính chất sản phẩm thông qua tác động vào bước tạo sol hoặc gel, nên sol – gel là một phương pháp tỏ ra rất ưu việt để tổng hợp những vật liệu có kích cỡ nano hay những màng siêu mỏng.
Bản chất của phương pháp sol-gel là dựa trên các phản ứng thủy phân và ngưng tụ của các tiền chất (precusor) bằng cách điều chỉnh tốc độ của hai phản ứng thủy phân và ngưng tụ chúng ta sẽ đạt được vật liệu mong muốn. Từ dung dịch (sol) bao gồm các chất đưa vào phản ứng được hoà tan với nhau, qua các phản ứng thủy
“Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu TiO2 phủ trên oxit nhôm kim loại để phân hủy các chất độc hại trong môi trường không khí” Nguyễn Mạnh Nghĩa, Cao học CNMT 2009
phân và ngưng tụ ta thu được gel.
Quá trình sol-gel có thể cho ta gel chứa toàn bộ các chất tham gia phản ứng và dung môi ban đầu, hoặc kết tủa gel tách khỏi dung môi và có khi là cả các chất sau phản ứng. Với đa số các phản ứng thì tốc độ phản ứng thủy phân thường lớn hơn tốc độ phản ứng ngưng tụ.
Quá trình sol – gel thực chất xảy ra qua hai giai đoạn sau:
- Thủy phân tạo sol (kích thước của các hạt keo nằm trong vùng kích thước từ 1 nm - 100 nm). Phản ứng chung xảy ra như sau:
M(OR)n + xH2O ô ơ M(OH)x(OR)n-x + xROH
- Ngưng tụ tạo gel: quá trình hình thành gel là quá trình trùng ngưng để loại nước và ROH, đồng thời ngưng tụ các ancolat bị thủy phân để tạo thành các liên kết kim loại – oxi.
Ta có thể biểu diễn quá trình gel hóa qua các giai đoạn như sau: +/ Ngưng tụ các monome ancolat để hình thành các hạt polime: -M-OH + HO-M- → -M-O-M- + H2O -M-OH + RO-M- → -M-O-M- + ROH
+/ Các hạt polime phát triển dần lên về kích thước, các hạt nhỏ liên kết thành mạch, sau đó hình thành mạng không gian đến một lúc nào đó độ nhớt tăng lên đột ngột và toàn bộ hệ biến thành gel. Dung môi sẽ nằm trong các lỗ trống của gel.
Quá trình thủy phân và ngưng tụ thường được điều khiển bằng cách thêm axit, bazơ để điều chỉnh pH. Điều chỉnh tốc độ thủy phân nhờ việc thay đổi pH, thêm bớt nước, thêm dung môi hoặc thêm các phối tử tạo phức càng như: axetylaxeton, axitaxetic…
Hai quá trình trên càng xảy ra chậm thì kích cỡ hạt thu được càng nhỏ (hạt tinh thể của màng càng nhỏ và màng càng xốp thì bề mặt riêng của màng càng lớn và hoạt tính quang xúc tác càng mạnh). Việc tìm ra một dung môi thích hợp để có thể điều khiển được quá trình thủy phân và ngưng tụ là vấn đề hết sức cần thiết khi ta điều chế các hạt có kích cỡ nano theo phương pháp sol – gel, bản chất của dung
“Nghiên cứu công nghệ chế tạo vật liệu TiO2 phủ trên oxit nhôm kim loại để phân hủy các chất độc hại trong môi trường không khí” Nguyễn Mạnh Nghĩa, Cao học CNMT 2009
môi sẽ quyết định phần lớn đến sản phẩm hình thành [1]. Những ưu điểm của phương pháp sol-gel
•Có thể tạo ra sự liên kết vững chắc giữa đế mang và lớp phủ phía trên.
•Có thể tạo ra những màng với độ dày nhất định có khả năng ngăn chặn sự ăn mòn. •Phương pháp sol-gel là phương pháp có thể trộn lẫn ở qui mô nguyên tử, tính đồng
nhất của sản phẩm cao, độ tinh khiết hóa học cao, các giai đoạn của phản ứng có thể điều khiển được để có thể tạo được sản phẩm mong muốn, không gây ô nhiễm môi trường.
•Nhiệt độ thiêu kết thấp, thường 2000C÷ 6000C.
•Cách làm đơn giản, rẻ tiền phương pháp đạt hiệu quả chất lượng cao. Nhược điểm của phương pháp sol-gel
Bên cạnh những ưu điểm đã trình bày ở trên, phương pháp sol-gel để tổng hợp vật liệu nói chung và vật liệu nano nói riêng cũng tồn tại những nhược điểm. Nhược điểm đầu tiên cần phải nói đến là rất dễ ảnh hưởng đến độ tinh khiết của vật liệu. Sản phẩm cuối cùng tổng hợp bằng phương pháp này rất dễ bị lẫn các tạp chất có thể do các chất đưa vào ban đầu chưa phản ứng triệt để hoặc do tạp chất là phẩm phụ của quá trình phản ứng phụ. Bên cạnh đó, độ dày tối đa có thể tạo được là 5 µm khi đó khả năng rạn nứt là không thể tránh khỏi. Một hạn chế nữa của phương pháp sol-gel là sự kết tủa không mong muốn trong bất kỳ giai đoạn nào của quá trình tổng hợp, điều này sẽ dẫn đến sự thay đổi về thành phần cũng như tính chất của vật liệu. Khả năng ứng dụng vào sản xuất công nghiệp còn hạn chế có thể do điều kiện phản ứng đặc biệt.