水熱合成及其在粉體領域的應用

水熱合成及其在粉體領域的應用

　　隨著科學技術的發展，我國各個領域都取得了很大的發展，方法也變得多樣化。在材料合成和新材料開發方面我國也取得了很大的進步，而且由于水熱合成法具有操作簡單、方便快捷的特點，得到了較為廣泛的應用。下面我們就來具體了解一下水熱合成。

　　水熱合成的石英單晶和粉體

　　1.水熱合成的概念

　　（1）水熱合成的定義水熱合成是指：溫度為100～1000℃、壓力為1MPa～1GPa條件下利用水溶液中物質化學反應所進行的合成。

　　（2）水熱合成的原理：水熱合成是在特制的密閉反應容器里，采用水溶液作為反應介質，對反應容器加熱，創造一個高溫、高壓的反應環境，使通常難溶或不溶的物質溶解并重結晶而進行的、無機合成與材料處理。水熱合成反應過程的驅動力是最后可溶的前驅體或中間產物與最終產物之間的溶解度差，即反應向吉布斯焓減小的方向進行。

　　（3）水熱合成的特點

　　①在相對低的溫度下反應；

　　②能夠加速重要離子間的反應；

　　③能夠制備具有亞穩態結構的材料。

　　2.水熱合成的具體過程

　　（1）基本設備：水熱合成反應釜

　　按密封方式：自緊式高壓釜、外緊式高壓釜；

　　按密封的機械結構分類：內螺旋塞式、大螺帽式、杠桿壓機式；

　　按壓強產生分類：內壓釜、外壓釜；

　　按加熱條件分類：外熱高壓釜、內熱高壓釜。

　　玻璃反應釜和不銹鋼反應釜

　　（2）裝滿度

　　裝滿度是指反應混合物占密閉反應釜空間的體積分數，較為安全的操作是裝滿度不要過高，通常在50％-80％為宜。

　　不同填充度下水的壓強-溫度圖(FC-p-T圖)

　　（3）水熱合成的具體流程

　　①選擇反應前驅物，確定反應前驅物的計量比；

　　②摸索前驅物加入順序，混料攪拌；

　　③裝釜、封釜、置入烘箱；

　　④確定反應溫度、時間、狀態進行反應；

　　⑤取釜、冷卻（空氣冷或水冷）、取樣；

　　⑥過濾、洗滌、干燥。

　　水熱合成流程圖

　　（4）水熱合成的影響因素

　　溫度：反應溫度越高，晶體生長速率加快，晶粒平均粒度越大，粒度分布范圍越寬。

　　壓強：增加分子間的碰撞機會加快反應速度，影響反應物的溶解度，生成物的形貌和粒徑。

　　pH值：影響過飽和度、動力學、形態、顆粒大小。

　　反應時間：晶粒粒度隨著水熱反應時間的延長而逐漸增大。

　　雜質：改變晶體的結構和顏色，影響晶體的形貌。

　　3.水熱合成法的分類

　　（1）水熱氧化：高溫高壓水、水溶液等溶劑與金屬或合金可直接反應生成化合物。

　　如：M+[O]→MxOy

　　（2）水熱沉淀：某些化合物在通常條件下無法或很難生成沉淀，而在水熱條件下卻能生成新的化合物沉淀。

　　如：KF+MnCl2→KMnF2

　　（3）水熱合成：可允許在很寬的范圍內改變參數，使兩種或兩種以上的化合物起反應，合成新的化合物。

　　如：FeTiO3+KOH→K2O?nTiO2

　　（4）水熱還原：一些金屬類氧化物、氫氧化物、碳酸鹽或復鹽用水調漿，無需或只需極少量試劑，控制適當溫度合氧分壓等條件，即可制得超細金屬粉體。

　　如：MexOy+yH2→xMe+yH2O其中Me為銀、銅等。

　　（5）水熱分解：某些化合物在水熱條件下分解成新的化合物，進行分離而得單一化合物超細粉體。

　　如：ZrSiO4+NaOH→ZrO2+NaSiO3

　　（6）水熱結晶：可使一些非晶化合物脫水結晶。

　　如：Al(OH)3→Al2O3?H2O

　　4.水熱體系中的晶粒形成的三種機制

　　（1）“均勻溶液飽和析出””機制：

　　由于水熱反應溫度和體系壓力的升高，溶質在溶液中溶解度降低并達到飽和，以某種化合物結晶態形式從溶液中析出。

　　（2）“溶解-結晶”機制：“溶解”是指水熱反應初期，前驅物微粒之間的團聚和聯接遭到破壞，從而使微粒自身在水熱介質中溶解，以離子或離子團的形式進入溶液，進而成核、結晶而形成晶粒。

　　（3）“原位結晶”機制：當選用常溫常壓下不可溶的固體粉末，凝膠或沉淀為前驅物時，如果前驅物和晶相的溶解度相差不是很大時，或者“溶解-結晶”的動力學速度過慢，則前驅物可以經過脫去羥基（或脫水），原子原位重排而轉變為結晶態。

　　5.水熱合成的應用

　　（1）制備介穩材料：介穩材料的結構特點是納米孔徑（約為2～50nm）、超大比表面積（>1000m2/g）和孔道尺寸可控。沸石分子篩是一類典型的介穩微孔晶體材料，具有分子尺寸周期性排布的孔道結構。

　　林德A型沸石的結構

　　（2）制備超細粉體：水熱合成法是制備超細粉體中常用的一種方法，其研究方向主要包括：粉體顆粒形貌的控制；粉末顆粒度及分散度的控制；溫和條件下粉體材料的水熱合成；避免水熱合成中雜質對產物的污染。

　　水熱合成超細粉體的優點

　　（3）晶體生長：水熱合成法可以合成水晶、剛玉（紅寶石、藍寶石）、綠柱石（祖母綠、海藍寶石）、及其它多種硅酸鹽和鎢酸鹽等上百種晶體。而且水熱合成法是目前制備適用于光學儀器和壓電晶體元件的大塊優質水晶的方法。