硅膠（ silica 凝膠 ）是由單分子硅酸經過多次聚合而成的一種多孔性物質，其主要的化學成分為二氧化硅，化學式為，是二氧化硅的非晶型結構。常溫常壓下的硅膠是乳白色或透明色，無異味的固體顆粒，難溶于水，（常溫下100mg/L），堿性越強溶解度越大。硅膠的制備技術成熟，通常采用以下三種方法制備硅膠，堆積硅珠法、溶膠凝膠法(SOL-GEL)、噴霧干燥法。硅膠為多孔性物質，具有大的比表面積，同時表面的硅羥基能夠對極性分子吸附，因此硅膠常用作吸附劑。硅膠的化學性質穩定，熱穩定性好，機械強度大，并且無毒無害，可重復利用，因此硅膠受到了廣泛的關注。隨著對硅膠的研究深入，硅膠在石油化工、催化劑載體、凈化柴油、變壓吸附、食品、醫療健康等方面也得到了廣泛的應用。
研究歷史
硅膠材料的首次發現是由 van Helmont（西班牙化學家，范·海爾蒙特）于1640年將硅酸鹽溶解后酸化制備。在1846年，科學家發現氯化硅和乙醇反應生成的一種玻璃態物質，這種物質引起了廣泛關注。
Graham（英國物理化學家，全稱T.Thomas Graham，托馬斯格雷姆）在研究硅膠時，于1864年首次提出“溶膠-凝膠”的概念。1866年，Alfred Bernhard Nobel(瑞典化學家，阿爾弗雷德·諾貝爾)發現硝化甘油吸附在硅藻土上比純的硝酸甘油更加穩定，因而在運輸方面更加安全，基于此發現申請了“炸藥”的專利，這是二氧化硅的重要應用，在某種程度上促進了硅膠應用的發展。而硅膠第一次真正的應用是在第一次世界大戰。 Walter A. Patrick（美國化學家，帕特里克）于1912-1915年，在哥根廷大學讀博期間發明了一種以硅酸鈉為原料大量生產硅膠的方法，并在隨后的第一次世界大戰中應用在防毒面具上，成為“芥子毒氣”的吸附材料，因此挽救了無數士兵的生命。1931年，Kistler（美國化學家，氣凝膠之父，基斯特勒）制備出了性能優越的硅膠材料，被稱為“氣凝膠”。
硅膠制備技術發展逐漸成熟，而功能方面暫未有過多的發展，在此之后對硅膠功能性的研究逐漸增加。1949年，Dickey首次將有機染料包裹在硅膠中，并用甲醇萃取，制備了一種具有選擇性吸附能力的硅膠材料。David Avnir（以色列化學家，大衛阿夫尼爾）在此基礎上，摻雜了羅丹明染料，發明了一種選擇性和孔隙條件更好的硅膠材料，同時具有更好的光穩定性和熱穩定性。隨后，又在硅膠中摻雜稠環化合物，制備了無機化合物有機溶膠-凝膠材料，具有光照變色的性能。在此之后，硅膠的摻雜技術得到了廣泛的發展，不僅乙醇等小分子物質可以摻雜，還可以摻雜酶等大分子，擴展硅膠的功能使其能夠應用在醫藥領域。
自1995年Avnir發明的溶膠-凝膠法制備摻雜硅膠材料，對硅膠的研究顯著增多，在硅膠的應用方面也得到了更加廣泛的應用。硅膠已經可以應用于傳感器、光學活性涂層、藥物緩釋劑、吸附材料、生物技術、節能減排、環境治理、電化學材料等多個領域。
物質結構
硅膠（Silica Gel）的主要化學成分是二氧化硅，是由二氧化硅合成的多孔性非晶體材料，內部結構是以SiO4四面體形式存在，分子式可以表示為。相比于二氧化硅的非晶體形式，硅膠內部的多孔性使得其具有非常大的表面積，而對于孔隙度更大的硅膠也被稱之為硅膠氣凝膠。
小粒徑多孔的硅膠往往具有很大孔容和比表面積，而且，硅膠表面的化學結構在其物理化學性質中起著重要的作用。硅膠的表面含有大量的硅醇基團，因此具有很強的氫鍵作用和極強的吸濕性能。
理化性質
硅膠是二氧化硅的非晶態形式，具有很強的物理吸水性，表面硅羥基與水形成氫鍵而更加穩定，總含水量約為總量的2%-10%，對于800的硅膠吸水可達自重的40%。加熱至100℃以上時，物理吸附水蒸發，200℃時硅羥基將縮合放出水，在1200℃可基本完成。
硅膠顆粒的重要參數包括平均孔徑、比表面積、孔容等，市場售賣的硅膠平均孔徑在2nm-15nm，比表面積在300-800，容量密度在0.67-0.75。對于比表面積高于500通常存在細孔，比表面積低于10則具有大孔結構。
硅膠的化學性質穩定，一般可以耐受酸性介質的侵蝕，在堿性環境下不穩定。常溫常壓下在純水中的溶解度為100mg/L，并隨著溫度的升高而增加，pH越高溶解度也升高。pH大于9時，溶解度顯著增加。
硅膠分類
硅膠按照孔徑分類，可以分為微孔、中孔和大孔硅膠。一般將小于2nm的稱為微孔硅膠，對于大于2nm而小于50nm的稱為中孔硅膠，超過50nm的稱為大孔硅膠。
同時，根據形成的孔隙結構的排列分布狀況，可將硅膠分為無定型硅膠和有序硅膠兩種。
制備方法
硅膠在化工生產和生活中都是非常重要的材料，其具有二維的空間網狀結構，屬于多孔性的固體物質。硅膠的孔分布范圍非常廣，具有非常大的比表面積，同時硅膠還具有一定的活性，可以廣泛應用于工業生產中。硅膠等多孔性的微球材料的制備已經得到了非常成熟的開發。根據不同的硅膠制備的技術原理，可主要將它們分為3類，分別是：(1)堆積硅珠法；(2)溶膠-凝膠法(SOL-GEL)；(3)沉淀干燥法。
溶膠-凝膠法
溶膠-凝膠法合成硅膠的原料是氧基硅烷，通過水解和縮聚的方法制備硅膠。
使用溶膠凝膠法合成硅膠的核心方法是讓烷氧基的硅烷水解得到硅醇，形成溶膠類型的膠體懸浮液。在水解形成膠體懸浮液的過程中，需要添加酸性或堿性催化劑促進該反應的進行。酸性催化劑常用鹽酸，磷酸，硫酸等；堿性催化劑常用氫氧化鈉。
然后讓溶膠內部發生縮聚過程,此過程是由水解后得到的硅醇相互脫水聚合，并進行大部分的凝膠化，這樣可以形成濕凝膠，最后通過洗滌與干燥的過程形成干凝膠。
沉淀干燥法
傳統的多孔硅膠的制備通常先將沙子或含硅的礦石按照：洗滌→浸泡→干燥→焙燒的流程進行，之后得到了透明的硅酸鹽（如硅酸鈉）。熔融后過濾，向濾液中加入氯化銨進行酸化，得到聚硅酸或微粒硅膠，其基本原理是：
加入氯化后發生水解反應，造成了硅酸分子不斷地生成，同時還由于硅酸中的硅原子并不能滿足6配位而存在聚合的趨勢，因此，就會造成單分子的硅酸之間會不斷逐漸縮合變為多酸而同時形成硅酸溶膠。并且，硅酸溶膠中溶有電解質離子(如Na離子等)，這將會促使溶膠會發生聚沉而形成半凝固的狀態、軟而透明并有彈性的硅酸凝膠。之后將硅酸的凝膠充分洗滌從而去除了可溶性鹽類，干燥并脫水后即可以成為多孔性的固體，即為硅膠，研磨后最終既可以得到硅膠粉末。
應用領域
石油化工
硅膠對于石油化工方面的主要可以作催化劑、催化劑載體，用于變壓吸附與脫除同時凈化柴油或汽油中的氮化物、與色譜柱的填料等。
催化劑載體
一般來說，對于硅膠通常來說可以作為烯烴聚合的十分有效的催化劑載體，并且還可以通過改變硅膠的活化的物理條件以及物性參數，來控制合成聚乙烯的相對分子質量。就比如負載型的鉻系催化劑在最初以硅膠上負載三氧化二鉻制得，并同時也能增加催化劑的表面積和孔隙度，從而提高催化劑的吸附能力和反應速率。且已廣泛應用在許多方法之中，就比如淤漿法、溶液法、氣相法聚乙烯生產工藝中。
硅膠同時可以作為離子液體的載體，能夠有效降低離子液體使用量，并提高反應的轉化率和選擇性。
吸附凈化柴油
如果油品中的具有含氮化合物，尤其是堿性的氮化物就會嚴重影響產品使用性能以及儲存的安定性,還會使催化劑中毒失活。并且柴油中氮含量過高還會嚴重地抑制柴油加氫與脫硫的深度，所以對于石油中的含氮化合物必須盡量地脫除干凈。硅膠也具有豐富的孔結構較大的比表面積,這樣可以優先吸附極性分子中不飽和的碳氫化合物,所以硅膠是作為油品脫氮的最佳選擇。硅膠和變色硅膠的脫氮率會明顯高于氧化鋁和硅藻土，硅膠和變色硅膠的脫氮率均非常高，所以硅膠的吸附脫氨效果是要明顯地好于其他的吸附劑。
食品方面
食用硅膠孔徑大約是8-10nm，是主要用于食品的復模，各類模具，和尺寸要求比較穩定的器材，硅膠無毒、無氣味、不黃變、透明度高，柔軟與彈性好，耐扭結不變形，是作為家庭食品中很重要的材料。同時硅膠表面是親水性的，所以食品級的硅膠還經常作為食品與藥品的干燥劑。可以利用干燥劑來吸附防潮包裝中的大部分水分，可以延緩包裝物含水量的升高，可以有效的抑制微生物的生存及消弱多種的化學反應，有效實現防霉、防銹、抗氧化、防潮的包裝，以達到延長產品的保存期的目的。硅膠還可以作為填充劑添加到食品中，例如在肉制品、面包和甜點等食品中添加硅膠可以增加體積和減少成本。硅膠可以作為增稠劑添加到食品中，添加硅膠可以增加粘度和稠度。作為流動劑添加到食品中，可以改善流動性。
農業方面
在農業方面硅膠的應用也是非常廣泛的，比如最常用的就是硅膠可以作農藥的載體，一般情況下選擇孔容比較大，同時離子強度高的硅膠。如采用硅膠可以作為制備水不溶性的季銨鹽殺菌劑原料，是有機聚合物作為水不溶性的殺菌劑的載體，由于農藥沒有剛性結構，所以其形狀與大小嚴重受溶劑、溫度和壓力的影響，導致限制了其大規模的應用。而如果用硅膠等無機物作載體的話，由于其在結構上具有剛性，則不會受上述因素影響。并且經驗證，以硅膠為載體的殺菌劑，殺菌效果非常好，可以達到97%以上。
醫療健康
優質硅膠還可以作為柱層層析硅膠的重要原材料，大量的硅羥基可以覆蓋在硅膠的表面，這樣就會使硅膠具有一定的吸附能力。可以用硅膠表面的鍵合技術，給硅膠表面進行硅烷化，使得硅膠表面可以帶有不同的官能團，可以用于中草藥的有效成分的分離與提純。如火麻仁又名大麻仁，可以采用硅膠柱層析-反相高效液相色譜(RP-HPLC)法提取有效成分。可以以氯仿-石油醚的混合溶劑作為淋洗劑，將火麻仁在甲醇的提取物用硅膠柱層析法進行純化處理，最終就可以得到非常有效的提取物，此方法具有簡便、準確、分離度和重復性好的優點，并且適用于火麻仁的質量控制。
硅膠在1963年應用于美容整形手術，一直是術后乳房重建使用最廣泛的材料。然而硅膠乳房假體尚存健康問題，在這方面上需要深入研究并開發出更安全，更持久的硅膠材料。
噴墨打印
在打印技術上，硅膠有優良的固墨性，可以形成特殊的微孔網絡，這樣的網絡可以把墨滴牢牢的吸附住，既可以保證優良的影像質量同時還可以縮短干燥的時間，故微孔的硅膠被認為是彩噴紙常用的最佳顏料。
變色硅膠
變色硅膠是一種可根據溫度變化而改變顏色的智能材料，廣泛應用于溫度測量、食品安全檢測和物質檢測等領域。在溫度測量方面，變色硅膠可用作可視化溫度計，例如在熱帶魚缸中使用，也可用于醫療領域，測量人體表面溫度。在食品安全檢測方面，變色硅膠可用作快速檢測食品是否變質的方法，通過變化的顏色提醒人們不要食用。在化學物質檢測方面，變色硅膠可用于檢測有害氣體的存在，例如在建筑工地等易積聚有害氣體的場所，變化的顏色也可提醒人們及時采取措施。
硅膠貓砂
硅膠貓砂是一種高活性吸附材料，是最理想的新型寵物垃圾清潔劑。基于硅膠的理化性質，硅膠貓砂性質穩定且無毒害作用，能夠在短時間內吸收寵物的糞便，同時還能吸收空氣中易揮發氣體起到清新空氣的作用。
其他領域
硅膠可作為香料的緩釋材料。將香料封裝到硅膠材料中，一方面可以保持日用產品如護膚品，香水，香皂等的芳香，另一方面可以維持香味劑的穩定性，避免發生毒副作用和過敏反應，也防止對環境造成污染。硅膠材料也能夠用于建筑領域，將硅膠加入水泥中，加速水泥的水化，并增加了抗壓強度。
硅膠基于其高吸附性可以用作家用濾水器，同時其表面積的多種基團可以鍵合其他化合物，并起到消菌殺毒的效果。
安全事宜
對于硅膠來說，對環境和人身沒有什么危害，所以其不是有害垃圾。由于硅膠材料其本身必須無毒，并且有顯著的生理惰性。此外硅膠還具有化學穩定性，耐腐蝕，同時也不易分解，這樣才能防止有害物質的產生。相比較于普通的塑料，硅膠安全性明顯會高很多。硅膠是有機硅聚合物，分子鏈中主要以硅氧鍵為主，附帶的基團也會主要是甲基等沒有反應活性的集團。因此硅膠性質非常穩定，不易分解，也沒有生理活性，不參與新陳代謝，這樣對于人體沒有毒害作用。對醫用硅膠管的生物相容性測試表明，人體組織對其反應很小，即使在植入體內的情況下也不會引起排異反應。
但硅膠粉塵對人體的危害包括呼吸系統、眼部和皮膚的刺激，長期接觸可能導致肺纖維化。具體而言，硅膠粉塵中的游離二氧化硅顆粒能夠在呼吸道沉積并引起炎癥反應，長期積累會導致肺部疾病。此外，硅膠粉塵對眼睛和皮膚也有刺激作用。
參考資料 >
Silicon dioxide.ECHA.2023-06-06