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水热合成法原理和操作
点击次数:9736 发布时间:2017-11-07

水热合成法原理和操作 

一、原理:水热合成是什么?

水热合成是指:温度为1001000℃、压力为1MPa1GPa条件下利用水溶液中物质化学反应所进行的合成。在亚临界和超临界水热条件下,由于反应处于分子水平,反应性提高,因而水热反应可以替代某些高温固相反应。

利用高温高压的水溶液使那些在大气条件下不溶或难溶的物质溶解,并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。

反应过程的驱动力是zui后可溶的前驱体或中间产物与zui终产物之间的溶解度差,即反应向吉布斯焓减小的方向进行。

二、水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型:

  1. 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。
  2. 溶解-结晶机制: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。
  3. 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。

水热合成法分类

1)水热氧化:高温高压水、水溶液等溶剂与金属或合金可直接反应生长性的化合物。 例如:M+[0]——MxOy

2)水热沉淀:某些化合物在通常条件下无法或很难生成沉淀,而在水热条件下却生成新的化合物沉淀。 例如:KF+MnCI2——KMnF2

3)水热合成:可允许在很宽的范围内改变参数,使两种或两种以上的化合物起反应,合成新的化合物。例如:FeTiO3+K0H——K20nTiO2

4)水热还原:一些金属类氧化物、氢氧化物、碳酸盐或复盐用水调浆,无需或只需极少量试剂,控制适当温度合氧分压等条件,即可制得超细金属粉体。例如:MexOy+Hz——xMe+yHzO其中Me为银、铜等

5)水热分解:某些化合物在水热条件下分解成新的化合物,进行分离而得单一化合物超细粉体。例如:ZrSiO4+NaOH——ZrO2+NaSiO3

6)水热结晶:可使一些非晶化合物脱水结晶。例如:AI(OH)3——Al203H20

三、具体过程

基本设备:水热合成反应釜

具体流程:

(1)选择反应前驱物,确定反应前驱物的计量比。

(2)摸索前驱物加入顺序,混料搅拌。

(3)装釜、封釜、置入烘箱。

(4)确定反应温度、时间、状态进行反应。

(5)取釜、冷却(空气冷或水冷)、取样。

(6)过滤、洗涤、干燥。

四、水热合成法与核壳结构

水热法合成 CdS /ZnO核壳结构纳米微粒

具体合成过程:以半胱氨酸镉配合物为前驱体 , 采用水热法合成 CdS纳米微粒 , 再以 ZnO 对其进行表面修饰 , 形成具有核/壳结构的 CdS /ZnO 半导体纳米微粒。CdS纳米微粒表面经 ZnO 修饰后 , 其带边发射大大增强。透射电镜显示 , 110℃下反应 4 h所得的 CdS / ZnO 颗粒尺寸约为 20 nm, 电子衍射表明其结构为六方相。

五、水热合成法的具体应用

1.制备超细(纳米)粉末

2.制备薄膜

3.其他应用

5.1 制备超细(纳米)粉末

制备金属氧化物超微粉因金属铁在潮湿空气中氧化非常慢,但是把这个氧化反应置于水热条件下,氧化速度非常快,要得到几十到100nm左右的Fe304;,只要把金属铁在98MPa,40℃的水热条件下反应1小时即可。

水热法制备纳米二氧化锡微粉:纳米SnO2具有很大的比表面积,是一种很好的气皿和湿皿材料。水热法制备纳米氧化物微粉有很多优点,如产物直接为晶体,无需经过焙烧净化过程,因而可以减少其它方法难以避免的颗粒团聚,同时粒度比较均匀,形态比较规则。

5.2 水热法制备BaTiO3薄膜

利用Sol-gel法等其他湿化学方法来制备多晶薄膜,灼烧工艺过程则是必不可少的,在这一过程中易造成薄膜开裂、脱落等缺陷。水热法目前主要用于制备多晶薄膜,其原因在于它不需要高温灼烧处理来实现由无定形向结晶态的转变。

制备具体过程:以抛光的钛金属片衬底或沉积钛的玻璃衬底作为阳极,Pt 金属片作为阴极,Ba(OH)2 水溶液为前驱物,通过两电极,100200 ℃的水热处理,得到了表面无宏观缺陷,呈金属光泽的BaTiO3 薄膜。

在衬底上形成稳定结晶相薄膜

5.3 其他应用

  1. 煤的液体化、气体化:在水热条件下,煤可以液化、气体化,产生油性状,所以如果煤在水热条件下处理实现工业化,煤的运输,煤的有效利用,因烧煤而造成的环境污染,将会得到较大的改变。
  2. 制作硬化体:用水热合成法能制作各种各样无机化合物硬化体,应用于建筑材料、耐火材料。
  3. 处理环境污染物质:一些有害物质(PCB,ABC噬粉)在常温常压下不易分解,而在高温高压下就很容易分解。
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