溶胶凝胶法制备的SiO2膜在气体分离方面的应用前景广阔。它对氢气具有良好的选择透过性,制作工艺简单,成本低廉,膜再生性强。其用于工业化的大规模生产可大大降低生产成本。传统的SiO2膜具有明显的亲水性,在水热环境下膜结构和孔径都会受到影响,这大大降低的膜的使用效率和使用寿命。本文拟通过在SiO2膜材料表面引入疏水性基团——甲基以及掺杂过渡金属Ni两种改进手段同时对微孔SiO2膜材料进行改性,提升其疏水性和水热稳定性。实验采用溶胶-凝胶法制备了镍负载型甲基改性SiO2膜材料。以正硅酸乙酯(TEOS)作为前驱物提供SiO2,甲基三乙氧基硅烷(MTES)提供-CH3,六水硝酸镍(Ni(NO3)2·6H2O)作为镍源。在无水乙醇(EtOH)的液相条件下对这些反应物进行均匀混合。(1)实验对镍负载型甲基改性SiO2溶胶进行了探索。研究发现凝胶固含量随镍含量(以六水硝酸镍与正硅酸乙酯的摩尔比nNi表示)的增加而增加,其增长趋势符合线性增长。而凝胶时间随nNi增加而逐渐减小,当nNi大于0.1时凝胶所需时间急剧下降。随着镍掺杂量变大,溶胶粘度随之变大,其增长规律基本符合线性增长。溶胶粒径测试表明:镍的负载量不宜过大,当nNi=0.2时其粒径分布有变大趋势,且溶胶状态稳定性较差。溶胶红外表征显示溶胶状态下镍的掺杂对甲基的改性没有影响。(2)实验对镍元素在SiO2网络骨架中的存在形态和晶体结构以及膜材料的孔结构进行了探索。研究发现:无论是空气气氛还是氮气气氛焙烧的样品都含有Ni-O-Si结构。对于空气气氛焙烧的样品,镍的存在形态为微晶态的NiO且晶体尺寸随焙烧温度的升高而变大,具有晶化趋势。对于氮气气氛焙烧的样品,当焙烧温度不高于500℃时镍的存在形态与空气气氛中一样为微晶态的NiO。当焙烧温度达到600℃时,部分微晶态的NiO将还原为单质Ni。膜材料孔径分布与微孔率:空气气氛中焙烧的样品,其微孔率较高,nNi=0.1的膜材料微孔率可达80%。同时孔径分布较小,平均孔径在2nm以下。而nNi=0.2的膜材料出现较多介孔,微孔率下降,孔径增大。氮气气氛焙烧的样品与空气气氛焙烧的样品相比,膜材料比表面积增大,孔隙率较高,但孔径分布和微孔率数据相比空气气氛焙烧的膜材料有所减小。无论是空气气氛焙烧的膜材料还是氮气气氛焙烧的膜材料都具备典型的微孔结构,其孔径分布窄,平均孔径较小,都具有良好的气体分离特性。(3)实验对膜材料的水汽稳定性进行了研究,结果发现对于氮气气氛焙烧的膜材料,其具备一定的水汽稳定性和膜再生性。空气气氛焙烧的SiO2膜材料,通过xps实验和接触角及表面自由能实验证明:空气气氛焙烧的膜材料,甲基团的稳定性较差,易受热分解,不利于膜材料保存良好的疏水性。其中对于nNi=0.1的SiO2膜,随着焙烧温度的升高,其表面蒸馏水接触角减小,相应的膜表面自由能总体呈上升趋势。当焙烧温度为400℃时,膜材料中的甲基团大量氧化分解,膜材料已基本不具备疏水性。其中膜表面自由能计算表明镍的掺杂导致膜表面极性力的升高,从而导致膜表面湿润性降低,疏水性下降。