溶膠-凝膠法制備氧化硅-氧化鋁體系凝膠及合成過程研究進展

夏 淼，聶軼苗，劉攀攀，王 玲，劉淑賢，王 森，王迎春，翟培鑫，劉朔宇

（華北理工大學礦業工程學院，河北唐山063210）

礦物聚合材料是一類新型堿激發膠凝材料，由于其制備工藝簡單、能耗低、性能優異［1］且多以工業固體廢棄物作原料，故引起廣泛關注［2-4］。利用粉煤灰制備礦物聚合材料是對粉煤灰綠色綜合利用的有效途徑之一，但因其原料的復雜性及產品的收縮率較大且有返霜現象［5］等不確定性問題的存在，導致粉煤灰基礦物聚合材料未能被大規模應用，而這些問題與其反應機理尚不明確密切相關。在粉煤灰制備礦物聚合材料反應機理的研究中，由于各種粉煤灰來源不同，其化學成分和物相組成差異較大［6］，使其反應機理研究的難度系數增大。

目前對于粉煤灰基礦物聚合材料反應機理的研究多采用3種方式進行：1）對粉煤灰基礦物聚合材料進行力學性能（抗壓強度和抗折強度）的測試［7］，間接推測反應過程；2）研究粉煤灰在堿性條件下的溶出特性［8］，以此來對粉煤灰中的活性成分及含量進行定量分析；3）人工合成制備純度較高的SiO2-Al2O3粉末［9］替代復雜的粉煤灰原料，主要研究硅、鋁兩種元素的變化情況。由于SiO2-Al2O3粉末煅燒后具有與偏高嶺土相似的結構［10］，也有一定的堿激發活性，而且這種合成粉體的純度、成分、性能人工可調節范圍大。因此通過借鑒對合成粉體的結構與性能的研究結果，對粉煤灰基礦物聚合材料的合成機理進行類似的過程判斷和機理分析，是一種有效的研究思路。

在研究SiO2-Al2O3粉體的合成時，可參考SiO2-Al2O3凝膠的合成及其有關性能與機理方面的研究成果。因二者制備過程相似，且對SiO2-Al2O3凝膠合成工藝和性能的要求更為嚴苛，同時國內外對SiO2-Al2O3凝膠的研究也相對深入。因此，本文通過對SiO2-Al2O3凝膠研究現狀進行綜述的基礎上，為SiO2-Al2O3粉體的合成提供實驗指導和理論數據。

1 溶膠-凝膠法制備SiO2-Al2O3體系凝膠的工藝過程及基本原理

溶膠是一種熱力學不穩定的分散體系，其溶質多為1～100 nm的固體顆粒，在液體溶劑中不停地進行布朗運動。在溫度改變、有外力作用（攪拌）、化學反應等影響下失去部分溶劑，使得體系黏度增大，進而形成具有一定強度的凝膠。凝膠的分類有很多種［11］，若溶劑為氣體時，稱為氣凝膠，若氣凝膠是采用非超臨界干燥法制得的，又稱為干凝膠。

常用的制備凝膠的方法有溶膠-凝膠法、固相合成法、化學共沉淀法等，其中溶膠-凝膠法應用廣泛，原因是該法所需設備簡單、過程易于控制、合成及燒結溫度較低，且制備的凝膠材料組分均勻、產品純度較高［11］。

1.1 SiO2-Al2O3體系凝膠的制備工藝過程

SiO2-Al2O3體系凝膠包括純SiO2凝膠、純Al2O3凝膠以及SiO2-Al2O3復合凝膠。SiO2凝膠是由有機醇硅鹽或無機硅鹽，在酸性或堿性條件下發生水解生成SiO2溶膠，而后在堿性條件下縮聚成濕凝膠，再老化干燥得干凝膠，最后煅燒得到相應的材料，流程如圖1所示，圖中硅前驅體為硅源原料。

圖1 SiO2凝膠制備工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of preparation of SiO2 gel

Al2O3凝膠主要以有機醇鋁鹽或無機鋁鹽為原料，酸性條件下水解成溶膠，堿性條件下縮聚成濕凝膠，再老化干燥得干凝膠，最后煅燒得相應制品材料，其制備過程與圖1相似。

由于SiO2-Al2O3復合凝膠具有單一的SiO2或Al2O3凝膠所不具有的優良性能，如SiO2的加入可提高Al2O3凝膠的α-Al2O3相轉變溫度［12］進而改善其性能等。SiO2-Al2O3復合凝膠是先分別制備SiO2溶膠和Al2O3溶膠，再按一定比例混合均勻，在堿性環境中縮聚，然后老化、干燥、煅燒而成。圖2為分別以TEOS（硅酸乙酯）為硅源、以有機醇鋁源為鋁源制備SiO2-Al2O3復合凝膠的工藝流程。

圖2 SiO2-Al2O3復合凝膠的制備工藝流程圖Fig.2 Process flow diagram of SiO2-Al2O3composite gel

1.2 SiO2-Al2O3體系凝膠形成的基本原理

一般認為，SiO2-Al2O3體系凝膠的形成主要有兩個關鍵步驟，第一是前驅體的水解，第二是水解產物發生縮聚，其反應過程及化學方程式如下：

首先，前驅體電離或與水反應（M為前驅體中金屬陽離子，z為M離子的價數，—OR為有機基團，n和x表示基團數目）。

然后，脫水或脫醇縮聚：

2 溶膠-凝膠法制備SiO2-Al2O3體系凝膠的影響因素及規律

采用溶膠-凝膠法制備SiO2-Al2O3體系凝膠的工藝過程與最終材料制品的性能要求有關，但基本過程如圖2所示，其中涉及的實驗因素較多，現對主要影響因素進行分別說明。

2.1 不同的硅源、鋁源前驅體對SiO2-Al2O3體系凝膠合成及結構性能的影響

前驅體是SiO2-Al2O3體系凝膠合成的重要參數之一［13］，不同鋁源、硅源，由于本身結構不同，水解過程和最終形成的水解產物不同，會對由其制備的制品或材料造成不同的影響。

硅源前驅體主要采用有機硅醇鹽，如正硅酸甲酯（TMOS）和正硅酸乙酯（TEOS）等，因其易溶于普通有機溶劑中，形成高純度、高分散的均勻溶液［14］，常用作制備凝膠體系的有機硅源。但由于TMOS有毒，故優選TEOS作硅源。其他一些廉價的化學試劑，如水玻璃、多聚硅氧烷（E40）作為硅源制得的材料性能相對較差，還需深入研究。

在SiO2-Al2O3體系凝膠合成過程中，TEOS需先水解生成硅酸和乙醇，硅酸之間或硅酸與未完全水解的TEOS之間縮聚成低聚合物，低聚合物繼續聚合形成具有三維網狀結構的高聚物［15］。由TEOS水解相對速率與溶液pH關系圖（圖3）［16］可知，當溶液pH在0～7～10變動時，隨著pH的增加，TEOS水解相對速率呈現先減小后增大的趨勢。當溶液pH=7時，TEOS水解相對速率最小。由此可見，TEOS在酸性和堿性條件下均能發生水解，但在不同條件下，TEOS水解所得前驅體的聚合程度和形態不同，陳彥廣等［17］研究了不同pH（pH=1～10）條件下TEOS水解后合成的ZSM-5分子篩，結果表明，堿性（pH=10）條件下，合成的分子篩晶粒近似六方形片狀結構，粒徑為200～700 nm且大小不均勻，而在酸性（硫酸溶液，pH=2）條件下合成的分子篩晶粒近似規則的橢圓形片狀結構，粒徑在200 nm左右，且大小較為均勻。分析原因認為，TEOS在堿性介質中，水解速率小于聚合速率，易形成短鏈交聯結構，在酸性介質中，聚合速率小于水解速率，易形成三維籠狀［18］。

圖3 TEOS水解和聚合反應相對速率與pH的關系［16］Fig.3 Relationship between pH and relative velocity of TEOS hydrolyzed and gathered［16］

常見鋁源有兩大類，有機鋁源和無機鋁源。常用的有機鋁源為有機鋁醇鹽，如異丙醇鋁（AIP）和仲丁醇鋁（ASB）。Al2O3凝膠制備過程中添加有機鋁醇鹽后多采用乙酰乙酸乙酯、乙酰丙酮等螯合劑控制鋁源水解速度，冰醋酸等有機酸為催化劑，甲醇為分散劑，溶解到乙醇和水的混合溶劑中，控制水解溫度為50～80℃，由此制備的Al2O3凝膠純度高、孔隙分布均勻［19］。由于Al2O3凝膠具有高化學活性，特別是其中的二聚物和寡聚單元的存在，極易與水反應生成具有3個羥基結構且難溶于乙醇的拜耳石相Al（OH）3。同時由于其干燥過程中的吸濕特性［20］，很難獲得塊狀、穩定的高孔隙度凝膠［21］，再加上有機醇鹽價格較高，制備凝膠工藝復雜，因此，價格低廉、操作簡單的無機鋁鹽更易受到研究者的青睞。常用無機鋁源主要為Al（NO3）3·9H2O和AlCl3·6H2O。無機鋁鹽多以乙醇和水為溶劑、環氧丙烷為凝膠助劑，即可得到Al2O3溶膠。其中，Al（NO3）3·9H2O作鋁源所得凝膠為球形顆粒且相互堆積，以AlCl3·6H2O為鋁源制備的凝膠為針狀顆粒且相互搭接。兩種無機鋁鹽制備的Al2O3凝膠顆粒形貌不同主要與氯離子和硝 酸 根 的 電 負 性 差 異［19，22］有 關，前 者 表 現 為 非 配 位性，不參與膠體粒子形成過程，后者具有弱配位性，會參與到水解和聚合過程中。但無機鋁鹽不能通過自身發生水解-縮聚反應，需要外加有機環氧化物［13］作催化劑，增加無機鋁鹽水解和聚合過程的可控性，所制備的溶膠更穩定，但性能不及有機鋁源所制備的Al2O3凝膠。

將SiO2溶膠和Al2O3溶膠按比例混合制備SiO2-Al2O3復合凝膠時，由于每種前驅體的水解速度不同，因此需先配制水解速度慢的，待均勻穩定后再混合，可以避免在凝膠前產生沉淀［23］或組分的偏析［24］，導致溶液生成不均勻的溶膠，影響最終的材料或制品性能。

除了使用單一的硅源制備SiO2-Al2O3體系凝膠材料外，還可以同時使用兩種不同可水解基團的硅氧烷作前驅體，制備柔韌性和回彈性更加優異的凝膠材料［25］。但是由于此類前驅體種類繁多，任意兩種前驅體相互作用可能會形成不同性能的凝膠，所以需要針對性地進行實驗研究。

2.2 pH對SiO2-Al2O3體系凝膠合成及結構性能的影響

由于不同種類的硅、鋁前驅體在不同pH溶液中發生水解和縮聚的反應速率不同，因而溶液pH對SiO2-Al2O3體系凝膠的合成及性能影響很大［13］。

常用硅源TEOS在酸性或堿性條件下均能水解，一般認為，酸有助水解，堿有助聚合［13，26］。在酸性條件下TEOS水解成線型SiO2溶膠［27］，并形成多分支弱交聯的聚合物凝膠，但穩定性較差；在堿性水解劑作用下，易形成相對致密的球形SiO2溶膠，穩定性較好［28］。在SiO2-Al2O3復合凝膠合成時，鋁源和硅源只有在強堿性條件下，才能縮聚形成類沸石結構［17］，所以可采用一步法，即在堿性條件下，完成水解和縮聚反應；也可采用酸堿兩步法，在酸性條件下分別水解得到硅、鋁溶膠，然后在堿性條件下混合縮聚。酸性條件下進行硅源水解時，催化劑可用硝酸［12，16］、硫酸［17］、鹽酸 乙醇［23］、鹽酸［24，29-30］、HF［23］、醋酸［19］等，溶劑為甲醇、乙醇和丙酮，乙醇最為常用。中性條件下，可用尿素［27］催化TEOS水解。堿性條件下硅源和鋁源前驅體的水解和縮聚反應，一般采用氨水作催化劑。

各種不同pH的溶液中，TEOS水解速率和產物不盡相同，水解后生成凝膠的凝結時間、所得材料結構及其性能也各不相同［17，31］。但目前對具體實驗中pH的確定，需根據最終材料的性能要求來進行反向實驗研究確定，這方面的理論研究還比較缺乏，特別是對水解產物結構和成分的直接研究，鮮見報道。

另外，OH-的濃度及其加入方式對SiO2-Al2O3體系凝膠的合成影響也比較大。叢培源［32］采用氨水、碳酸銨和尿素研究了OH-的引入對莫來石粉體的影響，結果表明，高濃度氨水（水與氨水的體積比為1∶1）滴加，容易造成局部堿度過高，鋁離子偏析，形成AlOOH沉淀，而采用低濃度（水與氨水的體積比為5∶1）氨水時，沒有AlOOH沉淀；以碳酸銨形式引入OH-，有利于鋁離子進入Si—O—Si—O網絡結構中，形成Si—O—Al—O結構；尿素用量低（尿素與Al3+物質的量比為2∶1）時，釋放出的OH-有利于鋁離子進入Si—O—Si—O網絡，直接形成莫來石；尿素用量高（尿素與Al3+物質的量比為8∶1）時，溶膠中出現富鋁和富硅區，熱處理時，首先生成尖晶石。

2.3 不同原料配比對SiO2-Al2O3體系凝膠合成及結構性能的影響

在SiO2-Al2O3體系凝膠的合成中，除了硅源和鋁源前驅體的選取及對應溶液的pH需要考慮外，還有一些因素也會影響凝膠的結構和性能，如SiO2-Al2O3體系中的Si與Al物質的量比、水和無水乙醇的用量、催化劑的種類及用量等實驗因素，在進行SiO2-Al2O3體系凝膠的合成之前，需研究這些因素對所得凝膠結構及性能的影響規律。

2.3.1 Si與Al物質的量比對SiO2-Al2O3體系凝膠合成及結構性能的影響

在SiO2-Al2O3復合凝膠合成時，將兩種溶膠（鋁溶膠和硅溶膠）混合的同時可催化溶膠的凝膠化進程，其中硅、鋁溶膠含量的多寡，直接影響凝膠的物理性質［31］，進而影響最終產品的性能。

首先將鋁溶膠加入到硅溶膠中，復合溶膠的凝膠時間大幅縮短，當Si與Al物質的量比為10∶1、7∶1逐漸降低至5∶1、4∶1時，膠凝時間逐漸減小［31］，凝膠密度也逐漸降低（凝膠的密度則可通過配制溶液時所用原料體積進行理論計算）［31-33］。一方面因為隨著鋁溶膠的加入致使溶液中SiO2溶膠含量相對降低，當混合溶膠中以Al—OH結構為主時，縮聚反應速率加快［24］。另一方面，由于實驗制備的SiO2溶膠乙醇含量低于Al2O3溶膠，因此，當Al2O3溶膠比例增加時，單位體積的混合溶膠中SiO2和Al2O3濃度變小，最終所得凝膠的密度也變小。同時隨著Al含量的增加（Si與Al物質的量比為1∶3、1∶4、1∶6、1∶12逐漸變小），濕凝膠的顏色由渾濁逐漸變為澄清［33］。總之，隨著鋁溶膠的加入，復合凝膠的凝膠時間、密度、顏色等基本性質均發生不同程度的改變。

將SiO2溶膠加入到Al2O3溶膠時，復合凝膠的結構和性能隨加入量逐漸改變。隨著硅含量逐漸增加，體系中Al—OH的對稱、反對稱伸縮振動、組合振動及反對稱形變振動均出現減弱現象，甚至在硅質量分數為10.6%［24］時基本消失；Al—O振動峰向高頻方向偏移，這是由于SiO2溶膠中存在Si—OH基團，與Al2O3溶膠中Al—OH作用生成氫鍵并發生縮聚，形成Al—O—Si的緣故。同時，SiO2-Al2O3復合凝膠的相轉變溫度和比表面積均有不同程度的提高［24］，其形貌也由針葉狀或長條狀逐漸變為球狀。

由于選取的硅源和鋁源、制備工藝（如干燥）以及最終制備的材料性能側重點各不相同，考核指標也各不相同，最終得到優化條件時的Si與Al物質的量比也有所不同，如以比表面積為考核指標，有學者分別在Si與Al物質的量比為1∶3［34］、1∶4［16］及w（Si）=13.3%［24］時，得到比表面積較大的凝膠，因此，還需要在弄清楚其反應機理的基礎上進行相應的Si與Al物質的量比配制。

2.3.2 溶劑的種類和水的用量對SiO2-Al2O3體系凝膠合成的影響

溶劑種類的選擇對SiO2-Al2O3體系凝膠的合成也很重要，一般選擇乙醇作TEOS和無機鋁源的溶劑，有機鋁源則多選擇相應的醇作溶劑［35］，如異丙醇選作異丙醇鋁的溶劑。

溶劑的作用主要是對反應物進行溶解，適量的乙醇可加快TEOS的水解反應速度，但當乙醇過量時，其本身的羥基會與TEOS水解生成的羥基發生縮聚反應，抑制TEOS的水解［17］，因此乙醇的用量需要確定在合理的范圍，在實驗中，TEOS與無水乙醇的物質的量比取值有1∶4［11］、1∶5［24］、1∶7［23］等。

水是SiO2-Al2O3體系凝膠合成時所需的反應物之一，同時具有部分溶劑作用，其含量對制備工藝和最終材料的性能具有重大影響［27］，當水的用量太多或太少時，凝膠在干燥過程中收縮率均會增大，進而影響其密度等凝膠物理性質，一般取水與TEOS物質的量比為（4～6）∶1；對鋁源來說，水太少鋁源水解不充分，水太多導致不能凝膠或凝膠不完全，因此，一般水與鋁源的物質的量比為（25～100）∶1。當水含量低時，可以考慮通過調節水含量來調控鋁硅酸鹽的水解反應［33］。

2.3.3 環氧丙烷用量對SiO2-Al2O3體系凝膠合成的影響

作為網絡凝膠誘導劑的環氧丙烷（PO）對凝膠時間起著主導作用［33］，其促凝機理主要是吸收溶膠中羥基聚合鋁離子和氫離子等質子，同時由于PO受到氯離子攻擊，發生不可逆轉的開環反應，使水合羥基聚合鋁離子內的羥基脫水聚合生成羥基氧化鋁低聚體，促進溶膠體系的pH均勻緩慢地增長，進而促進反應粒子的水解、縮聚及最終三維骨架的形成。因而，隨著PO用量增加，凝膠時間縮短。當PO用量過少時，水解和縮聚反應速率都較小，凝膠時間較長，甚至無法形成完整凝膠，即使生成凝膠也主要以鏈狀形式聚合，使溶膠內部結構強度減弱，導致最終材料的收縮率增大；而PO用量過多，則會導致溶膠pH增長過快，硅、鋁結構發生團聚甚至沉淀，一般取PO與鋁源原料的物質的量比為3∶1［36］、2∶1［33］等。

2.3.4 其他原料添加的影響

在SiO2-Al2O3體系凝膠合成過程中，有時會通過引入纖維［30］、納米顆粒［37］或螯合劑［38］，采用有機硅氧烷等前驅體等方式［25］，使最終產品材料具有高透過性、足夠穩定性等性能。

2.4 干燥方式對SiO2-Al2O3體系凝膠合成及結構性能的影響

SiO2-Al2O3體系凝膠的干燥工藝是其制備過程中的重要一環，也是較為困難的一步［13］，其目的是在不影響凝膠的三維網絡結構的前提下，將三維孔洞中的溶劑排出。如果采用直接干燥，由于氣液界面產生的表面張力會破壞凝膠的網絡結構，因此一般采用超臨界干燥，即利用一定溫度和壓力，使溶劑轉變成一種介于液態和氣態之間的特殊狀態，溶劑界面張力消失從孔洞排出。但采用這種干燥方式，常涉及高溫高壓，具有一定的危險性，現在有不少學者采用常壓干燥，即通過老化、溶劑置換、表面改性和常壓干燥等一系列工序進行處理。所謂老化就是利用表面張力低的溶劑［14］對凝膠進行浸泡，置換出凝膠孔洞中原來表面張力大的溶劑，避免干燥過程中凝膠的收縮，從而增強凝膠的骨架結構。表面改性則是通過加入或包覆一些物質，消除骨架上的—OH，避免因相鄰—OH脫水縮聚導致開裂，影響凝膠性能。

老化所用溶劑多為乙醇，老化時間為24～36 h，置換溶劑的種類、用量（或濃度）及置換時間需依據濕凝膠質量變化趨勢確定，如正庚烷、正己烷24 h［31］等。

3 SiO2-Al2O3體系凝膠的合成過程研究進展

對于SiO2-Al2O3體系凝膠合成的考核指標，常用的有膠凝時間、顆粒大小、比表面積、強度、收縮率、隔熱系數等定量指標，同時還有凝膠形貌（是否開裂、顏色是否透明等）等定性指標，綜合考慮以確定實驗工藝條件。這些考核指標是由最終產品性能或應用領域來決定的。該體系凝膠的生成機理，目前比較認可的是水解-縮聚兩個關鍵環節，其中有關水解過程中硅源和鋁源的物相、結構變化及產物等，學者們做了大量研究工作，主要通過X射線衍射（XRD）分析物相變化、紅外光譜分析（IR）研究物相結構變化、核磁共振（NMR）進行硅的聚合度和鋁的配位研究，同時結合掃描電鏡（SEM）和透射電鏡（TEM）進行形貌和組織結構等觀察。

一般認為，硅源TEOS無論在酸性還是堿性水解劑作用下，均生成SiO2溶膠［27］，只是形態有所不同。隨著對SiO2凝膠煅燒溫度升高，紅外光譜圖中Si—OH振動峰逐漸消失，生成Si—O—Si鍵，煅燒溫度再升高時此處峰發生“藍移”，說明發生縮聚反應［14］。但此時1 100 cm-1處峰仍為單峰，所以，此處還需深入研究其呈現單峰的原因。有機和無機鋁源制備的Al2O3溶膠都以勃姆石形式存在，即γ-AlOOH，經過1 200℃煅燒其物相組成經過γ-Al2O3、δ-Al2O3、θ-Al2O3的非晶相變化過程，最后轉變為較穩定的α-Al2O3晶相，同時對應的差熱曲線上會出現一系列對應的放熱峰［21］。

隨著硅含量的逐漸增加，SiO2-Al2O3復合凝膠的物相、鋁的配位狀況均發生改變。復合凝膠中物相由多晶勃姆石逐漸向無定形SiO2過渡，原來Al2O3凝膠中θ-Al2O3物相IR譜峰強度逐漸變弱，當硅含量為17.3%（質量分數）時θ-Al2O3消失［24］，說明SiO2溶膠中Si—OH基團與Al2O3溶膠中Al—OH結構作用形成Al—O—Si［14，39］。煅燒后，該峰的強度增大［18］；同 時，Al—O吸 收 峰 消 失，4次 配 位Al—O振動峰發生“藍移”，這是由于Si代H形成Al-O-Si的緣故［24］，而6次配位的Al—O吸收峰也在逐漸增強。有分析認為是此處與Si—O—Si峰值重合的緣故［24］，具體原因可以結合核磁共振譜圖進行詳細分析，只是未見有報道。

隨著鋁含量的增加，960 cm-1處Si—OH振動峰、800 cm-1和460 cm-1處環狀結構的Si—O—Si鍵峰［23］強度均呈現逐漸降低趨勢，說明Si—O—Al鍵逐漸增多。煅燒溫度為50℃和100℃時，6次配位Al—O振動峰（640 cm-1）發 生“紅移”，這 是由Si—O—Al成鍵后Si原子較強的給電子能力所導致［40］。4次配位Al—O振動峰只出現在煅燒溫度為300℃及以上的試樣中，這可能是由于隨著吸附水和結構水的脫除，部分6次配位的Al—O轉化為4次配位，導致剩余6次配位Al—O結構張力得以釋放，振動峰向高波數移動［41］。

以上分析研究表明，在SiO2-Al2O3體系凝膠形成的過程中，確實發生了水解和縮聚反應，且有Si—O—Al鍵生成，即部分鋁呈鋁氧四面體形式存在。這些結論從紅外光譜分析中可以得出，只是缺乏定量性描述，如鋁發生改變的具體比例、影響其改變的原因及改變程度的關系等。對于水解和縮聚反應的動力學問題，只是以凝膠黏度變化率結合原子力顯 微 鏡 等 手 段 進 行 了 探 討 性 研 究 工 作［40，42］，還 需 要深入研究。

4 存在問題及展望

目前對于SiO2-Al2O3體系凝膠的合成與對應材料制備的研究比較深入，其中影響因素及其影響規律的研究也比較細致，但仍存在一些問題，需要進一步深入研究：1）主要元素含量的影響規律研究范疇比較窄，在SiO2-Al2O3體系凝膠中，有時不可避免地引入其他堿金屬或堿土金屬離子，如K+、Na+、Ca2+，而這些離子對SiO2-Al2O3體系凝膠的影響不明。因此，在后續的研究中，需對不同堿金屬或堿土金屬離子的影響規律進行研究，通過控制不同離子的濃度，對所合成凝膠的物理性質進行觀察，研究其結構變化規律和聚合度變化情況。只有將這些影響因素及影響規律研究透徹，才可能對SiO2-Al2O3體系凝膠的合成及結構與性能把握更加全面；2）對于SiO2-Al2O3體系凝膠形成過程有定性描述，但是缺乏定量描述的精確實驗數據，如隨著硅溶膠加入鋁溶膠中，鋁配位數發生改變的比例，以及鋁配位數的改變對凝膠結構及性能的影響程度。

雖然在SiO2-Al2O3體系凝膠現有研究中存在一些問題，但該體系凝膠的優異性能毋庸置疑，未來的研究方向可以構建SiO2-Al2O3體系凝膠成分-結構-性能關系模型，通過各種分析方法對其性能進行檢測，為SiO2-Al2O3體系凝膠的結構、性能設計提供基礎數據。隨著對該體系凝膠制備流程的優化研究、凝膠制備的精準控制與設計等工作的深入，必將為此體系凝膠材料本身的應用和發展帶來廣闊前景，同時帶動堿激發膠凝材料，特別是與其相似性更高的粉煤灰基堿激發膠凝材料等相關領域的快速發展，為擴大粉煤灰的應用范疇并提高其利用率奠定基礎，為國民經濟發展貢獻力量。