材料合成与制备-水热合成

水热与溶剂热合成第二章2水热与溶剂热合成方法的发展水热与溶剂热合成方法原理水热与溶剂热合成工艺水热与溶剂热合成方法应用实例目录2.12.22.32.434水热合成方法的发展最早采用水热法制备材料的是1845年K.F.Eschafhautl以硅酸为原料在水热条件下制备石英晶体；一些地质学家采用水热法制备得到了许多矿物，到1900年已制备出约80种矿物，其中经鉴定确定有石英，长石，硅灰石等；1900年以后，G.W.Morey和他的同事在华盛顿地球物理实验室开始进行相平衡研究，建立了水热合成理论，并研究了众多矿物系统。5(2)水热合成方法的发展•最早采用水热法制备材料的是1845年以硅酸为原料在水热条件下制备石英晶体；通过水热法得到的石英单晶6•一些地质学家采用水热法制备得到了许多矿物，到1900年已制备出约80种矿物，其中经鉴定确定有石英，长石，硅灰石等；长石硅灰石7•1900年以后，G.W.Morey和他的同事在华盛顿地球物理实验室开始进行相平衡研究，建立了水热合成理论，并研究了众多矿物系统。•用这种方法可以合成水晶、刚玉(红宝石、蓝宝石)、绿柱石(祖母绿、海蓝宝石)、及其它多种硅酸盐和钨酸盐等上百种晶体。石榴子石(A3B2[SiO4]3绿柱石(铍铝硅酸盐矿物)8水热法（hydrothermal）（高压溶液法）9溶剂热合成方法的发展1985年，Bindy首次在“Nature”杂志上发表文章报道了高压釜中利用非水溶剂合成沸石的方法，拉开了溶剂热合成的序幕。到目前为止，溶剂热合成法已得到很快的发展，并在纳米材料制备中具有越来越重要的作用。10溶剂热法优点在有机溶剂中进行的反应能够有效地抑制产物的氧化过程或水中氧的污染；非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料范围大大扩大；由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们可以达到比水热合成更高的气压，从而有利于产物的结晶；由于较低的反应温度，反应物中结构单元可以保留到产物中，且不受破坏，同时，有机溶剂官能团和反应物或产物作用，生成某些新型在催化和储能方面有潜在应用的材料；1112水热与溶剂热合成方法的概念水热法(HydrothermalSynthesis)，是指在特制的密闭反应器（高压釜）中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压），创造一个相对高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。13溶剂热法（SolvothermalSynthesis），将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒（例如：有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等），采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料，如III-V族半导体化合物、氮化物、硫族化合物、新型磷（砷）酸盐分子筛三维骨架结构等。14水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型：“均匀溶液饱和析出”机制“溶解-结晶”机制“原位结晶”机制15“均匀溶液饱和析出”机制由于水热反应温度和体系压力的升高，溶质在溶液中溶解度降低并达到饱和，以某种化合物结晶态形式从溶液中析出。当采用金属盐溶液为前驱物，随着水热反应温度和体系压力的增大，溶质（金属阳离子的水合物）通过水解和缩聚反应，生成相应的配位聚集体（可以是单聚体，也可以是多聚体）当其浓度达到过饱和时就开始析出晶核，最终长大成晶粒。16“溶解-结晶”机制所谓“溶解”是指水热反应初期，前驱物微粒之间的团聚和联接遭到破坏，从而使微粒自身在水热介质中溶解，以离子或离子团的形式进入溶液，进而成核、结晶而形成晶粒；17“结晶”是指当水热介质中溶质的浓度高于晶粒的成核所需要的过饱和度时，体系内发生晶粒的成核和生长，随着结晶过程的进行，介质中用于结晶的物料浓度又变得低于前驱物的溶解度，这使得前驱物的溶解继续进行。如此反复，只要反应时间足够长，前驱物将完全溶解，生成相应的晶粒。18“原位结晶”机制当选用常温常压下不可溶的固体粉末，凝胶或沉淀为前驱物时，如果前驱物和晶相的溶解度相差不是很大时，或者“溶解-结晶”的动力学速度过慢，则前驱物可以经过脱去羟基（或脱水），原子原位重排而转变为结晶态。19将水热条件下纳米晶粒的形成过程可分为三个阶段：生长基元与晶核的形成生长基元在固-液生长界面上的吸附与运动生长基元在界面上的结晶或脱附20生长基元与晶核的形成：环境相中由于物质的相互作用，动态地形成不同结构形式的生长基元，它们不停的运动，相互转化，随时产生或消灭。当满足线度和几何构型要求时，晶核即生成。21生长基元在固-液生长界面上的吸附与运动：在由于对流、热力学无规则运动或者原子吸引力，生长基元运动到固-液生长界面并被吸附，在界面上迁移运动。22生长基元在界面上的结晶或脱附：在界面上吸附的生长基元，经过一定距离的运动，可能在界面某一适当位置结晶并长入晶相，使得晶相不断向环境相推移，或者脱附而重新回到环境相中。23水热与溶剂热合成方法的适用范围制备超细（纳米）粉末制备薄膜合成新材料、新结构和亚稳相低温生长单晶2425水热与溶剂热合成的生产设备高压釜是进行高温高压水热与溶剂热合成的基本设备；高压容器一般用特种不锈钢制成,釜内衬有化学惰性材料，如Pt、Au等贵金属和聚四氟乙烯等耐酸碱材料。26（1）按密封方式分类：自紧式高压釜，外紧式高压釜；（2）按密封的机械结构分类：法兰盘式，内螺塞式，大螺帽式，杠杆压机式；（3）按压强产生方式分类：内压釜（靠釜内介质加温形成压强，根据介质填充度可计算其压强），外压釜（压强由釜外加入并控制）；（4）按设计人名分类：如Morey釜，Smith釜，Tuttle釜（也叫冷封试管高压釜），Barnes摇动反应器等；高压釜的分类27（5）按加热方式分类：外热高压釜（在釜体外部加热），内热高压釜（在釜体内部安装加热电炉）；（6）按实验体系分类：高压釜（用于封闭体系的实验），流动反应器和扩散反应器（用于开放系统的实验，能在高温高压下使溶液缓慢地连续通过反应器，可随时提取反应液）。28简易高压反应釜实物图釜套由耐高温高压和耐酸碱的特种钢材制成。釜芯由耐酸碱聚四氟乙烯制成29水热反应釜30带搅拌高压反应釜装置图31水热与溶剂热反应的基本类型合成反应通过数种组分在水热条件下直接化合或经中间态发生化合反应。利用此类反应可合成各种多晶或单晶材料。例如：Nd2O3+10H3PO4=2NdP5O14+15H2O32热处理反应利用水热条件处理一般晶体而得到具有特定性晶体的反应。转晶反应利用水热条件下物质热力学和动力学稳定性差异进行的反应。33离子交换反应晶化反应沉淀反应氧化反应提取反应分解反应脱水反应水热热压反应反应烧结烧结反应水解反应34通过数种组分在水热或溶剂热条件下直接化合或经中间态发生化合反应。利用此类反应可合成各种多晶或单晶材料。Nd2O3+H3PO4NdP5O14CaO·nAl2O3+H3PO4Ca(PO4)3OH+AlPO4La2O3+Fe2O3+SrCl2(La,Sr)FeO3FeTiO3+KOHK2O·nTiO2(n=4,6)(1)合成反应35沸石阳离子交换；硬水的软化、长石中的离子交换；高岭石、白云母、温石棉的OH-交换为F-。(2)热处理反应条件处理一般晶体而得到具有特定性能晶体的反应例如：人工氟石棉人工氟云母(3)转晶反应利用水热与溶剂热条件下物质热力学和动力学稳定性差异进行的反应例如：良石高岭石;橄榄石蛇纹石;NaA沸石NaS沸石(4)离子交换反应36例如SiO2单晶的生长，反应条件为0.5mol/LNaOH、温度梯度410~300℃、压力120MPa、生长速率1~2mm/d；若在0.25mol/LNa2CO3中，则温度梯度为400~370℃、装满度为70％、生长速率1~2.5mm/d。(5)单晶培育高温高压水热、溶剂热条件下，从籽晶培养大单晶一定温度、压力下物质脱水结晶的反应(6)脱水反应例如37FeTiO3FeO+TiO2ZrSiO4+NaOHNa2SiO3+ZrO2FeTiO3+K2OFeO+K2O·nTiO2(n=4,6)(7)分解反应分解化合物得到结晶的反应例如(8)提取反应从化合物(或矿物)中提取金属的反应钾矿石中钾的水热提取重灰石中钨的水热提取例如KF+MnCl2KMnF3KF+CoCl2KCoF3(9)沉淀反应生成沉淀得到新化合物的反应例如38Cr+H2OCr2O3+H2Zr+H2OZrO2+H2Me+nLMeLn(L=有机配体)(10)氧化反应金属和高温高压的纯水、水溶液、有机溶剂等作用得到新氧化物、配合物、金属有机化合物的反应，以及超临界有机物种的全氧化反应例如CeO2·xH2OCeO2ZrO2·H2OM-ZrO2+T-ZrO2硅铝酸盐凝胶沸石(11)晶化反应使溶胶、凝胶(so1、gel)等非晶态物质晶化的反应例如39(15)水热热压反应水热热压条件下，材料固化与复合材料的生成反应例如放射性废料处理、特殊材料的固化成型、特种复合材料的制备(14)反应烧结化学反应和烧结反应同时进行氧化铬、单斜氧化锆、氧化铝—氧化锆复合体的制备(13)烧结反应水热、溶剂热条件下实现烧结的反应含OH-、F-、S2-等挥发性物质的陶瓷材料的制备(12)水解反应醇盐水解等例如例如例如40高温高压水热合成实验温度已高达1000℃，压强高达0.3GPa。它利用作为反应介质的水在超临界状态下的性质和反应物质在高温高压水热条件下的特殊性质进行合成反应。按温度分类亚临界合成超临界合成多数沸石分子筛晶体的水热即为典型的亚临界合成反应。反应温度范围是在100-240℃之间，适于工业或实验室操作。水热合成41水热与溶剂热合成的一般工艺是：42可溶性金属盐溶液固体粉末，即制备多元氧化物粉体时，可直接选用相应的金属氧化物和氢氧化物固体粉末作为前驱物胶体，即制备金属氧化物粉体时，在相应的金属可溶性盐溶液中加入过量的碱得到氢氧化物胶体，经反复洗涤除去阴离子后作为前驱物胶体和固体粉末混合物前驱体选择43（1）相似相容原理（2）溶剂化能和Born方程式水热与溶剂热合成的介质选择44所谓相似相容原理就是“溶质分子若与溶剂分子的组成结构、物理性质及化学性质相近则其溶解度大45这两种作用都必须消耗很大的能量，因此溶质和溶剂的作用必须很大才能使溶质溶解于溶剂，这种溶质和溶剂的相互作用就是溶剂化能。当溶解于溶剂的溶质以离子状态存在时离子晶体共价化合物必须克服离子晶格中的正负离子间的作用力必须使共价键发生异裂作用46其中△G表示一个离子从真空迁移到溶剂中自由能的改变，即溶剂化能。方程中假定r1为离子结晶学半径，带Ze电荷的离子刚性小球，溶剂的相对介电常数εr不因离子电场而改变。Born方程式：)11(122rZreZG47形成离子溶液溶剂介电常数大分子极性强既能与阳离子或能与阴离子发生以上所述的任何一种作用。48水热与溶剂热合成存在的问题无法观察晶体生长和材料合成的过程，不直观。设备要求高耐高温高压的钢材，耐腐蚀的内衬、技术难度大温压控制严格、成本高。安全性差，加热时密闭反应釜中流体体积膨胀，能够产生极大的压强，存在极大的安全隐患。49水热与溶剂热合成方法应用实例基于酒石酸调节的单分散Fe3O4的粒子的水热合成JuanYan采用主要原料为TA（酒石酸），FeCl3，无水C2H5OH，NH4OH以及各种的分析纯试剂通过酒石酸辅助水热合成单分散Fe3O4纳米材料。制备工艺：1mlNH4OH加入25ml的FeCl3水溶液中，搅拌得到红褐色泥浆，泥浆通过多次离心分离，得到了铁的先驱体。将不同含量的TA(0mmol，0.2mmol，0.5mmol，1mmol，2mmol)加入到上述先驱体中，之后转移到100ml的聚四氟乙烯内衬的压热器中，充入去离子水搅拌，之后压热器密封并且加热，压热器在180℃下保温1小时，在空气中缓慢冷却。产物离心并用酒精和去离子水清洗，重复此过程多次，产物在真空箱中60℃干燥4h，获得最终产物。50在180℃下搅拌1小时，不同TA含量水热合成产物TEM照片(a)