水热合成法修改雷鸣.ppt

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1、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，如石英，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。,水热、溶剂热合成,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。,现为无机功能材料、特种组成与结构的无机化合物和特种凝聚态材料，如超微粒、无机膜、单晶等的重要合成途径。,从模拟地矿生成

2、开始合成沸石分子筛和其他晶体材料的常用方法。,高温水蒸气压更高，其结构不同于室温水，在已升高温度和压力的水中，几乎所有的无机物质都有较大的溶解度。这对前驱体材料的转化起着重要作用,水热、溶剂热合成已成为无机合成化学的一个重要的分支。,无机晶体材料的溶剂热合成研究是近三十年发展起来的，主要指在有机溶剂热条件下的合成，以区别于水热合成。,第一届水热反应和溶剂热反应(Hydrothermal reactions and solvothermal reactions)国际会议,1982年4月在日本横滨,2006年8月在日本森岱(Sendai),第八届水热反应和溶剂热反应国际会议,水热合成化学侧重于研究

3、水热条件下物质的反应性、合成规律及产物的结构与性质。反应需耐高温高压与化学腐蚀的设备。体系处于非平衡状态，需用非平衡热力学理论研究合成化学问题。,3.1 水热、溶剂热合成基础,一、水热、溶剂热合成的特点,水热、溶剂热合成化学是研究物质在高温和密闭或高压条件下溶液中的化学行为与规律的化学分支,水热、溶剂热合成是指在一定温度(100-1000)和压强(1-l00 MPa)条件下利用溶液中物质化学反应所进行的合成。,水热、溶剂热反应主要以液相反应机理为其特点，而固相反应主要以界面扩散为特点。,水热、溶剂热化学侧重于水热、溶剂热条件下特殊化合物与材料的制备、合成和组装，及固相反应无法制得的物相或物种，

4、或使反应在相对温和的水热、溶剂热条件下进行。,机理上的不同可导致不同结构的材料生成，如液相条件能生成完美晶体、固相合成能获得非整比化合物等，即材料的微结构、性能等与材料的来源密切相关。,水热与溶剂热条件下反应物反应性能的改变、活性的提高，水热与溶剂热合成方法有可能代替固相反应以及难于进行的合成反应，并产生一系列新的合成方法。水热与溶剂热条件下中间态、介稳态及特殊物相易于生成，因此能合成与开发一系列特种介稳结构、特种凝聚态的新合成产物。,水热、溶剂热合成化学的特点,能够使低熔点化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的物质、高温分解相在水热与溶剂热低温条件下晶化生成。水热与溶剂热的低温、等压、溶液条件

5、，有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体，且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒度。由于易于调节水热与溶剂热条件下的环境气氛，因而有利于低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成，并能均匀地进行掺杂。,水热、溶剂热合成化学的特点,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 NdP5O14CaOnAl2O3+H3PO4 Ca(PO4)3OH+AlPO4La2O3+Fe2O3+SrCl2(La,Sr)FeO3FeTiO3+KOH K2OnTiO2(n=4,6),二、水热、溶剂热反应的基本类型,(1)合成反应,沸石阳

6、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,例如SiO2单晶的生长，反应条件为0.5mol/LNaOH、温度梯度410300、压力120MPa、生长速率12mm/d；若在0.25mol/L Na2CO3中，则温度梯度为400370、装满度为70、生长速率12.5mm/d。,(5)单晶培育,高温高压水热、溶剂热条件下

7、，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,FeTiO3 FeO+TiO2ZrSiO4+NaOH Na2SiO3+ZrO2FeTiO3+K2O FeO+K2OnTiO2(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,Cr+H2O Cr2O3+H2Zr+H2O ZrO2+H2Me+n L MeLn(L=有机配体),(10)氧化反应,金属和高温

8、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,CeO2xH2O CeO2ZrO2H2O 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,(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

9、的制备,(12)水解反应,醇盐水解等,例如,例如,例如,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,高温高压水热合成的应用实例,制备无机物单晶,CrO2的水热合成,复杂无机物的合成,制备各种铁电、磁电、光电固体材料,非线性光学材料NaZr2P3O12和AlPO4等；声光晶体铝酸锌锂；激光晶体和多功能的LiNbO3和LiTaO3

10、等；及ZrO2，SnO2、GeO2、CrO2等,制备一些重要的装饰材料,如彩色水晶,有的单晶是无法用其它方法得到,如,如,表面张力变低,三、反应介质的性质,高温高压下水热反应具有三个特征,使重要离子间的反应加速,使水解反应加剧,使其氧化还原电势发生明显变化,水的性质也将变化,蒸气压变高,离子积变高,密度变低,粘度变低,按Arrhenius方程式：dlnk/dT E/RT2水在密闭加压条件下加热到沸点以上时，离子反应的速率会增大，即，反应速率常数k随温度呈指数函数增加。因此，即使是在常温下不溶于水的矿物或其它有机物，在高温高压水热条件下，也能诱发离子反应或促进反应。,一般地,化学反应,离子反应,

11、自由基反应,电子理论表明，具有极性键的有机化合物，其反应也常具有某种程度的离子性,导致水热反应加剧的主要原因是水的电离常数随水热反应温度的上升而增加,图3-1 水的温度密度图,在工作条件下，压强大小依赖于反应容器中原始溶剂的填充度。填充度通常在50-80为宜，此时压强在0.020.3GPa之间。,图3-4 不同填充度下水的压强温度图(FC-p-T图),有时作为化学组分起化学反应；促进反应和重排；传递压力的介质；溶剂；起低熔点物质的作用；提高物质的溶解度；有时与容器反应。,高温高压水的作用,有机溶剂种类多，性质差异大，需进行溶剂选择。溶剂会使反应物溶解或部分溶解，生成溶剂合物，这会影响化学反应速

12、率。在合成体系中，反应物在液相中的浓度、解离程度，及聚合态分布等都会影响反应过程。,四、有机溶剂的性质标度,如BaSO4或AgCl等，通过部分共价键的三维缩聚作用而形成，故而水热、溶剂热生成的BaSO4或AgCl比从过饱和溶液中沉积出来更缓慢。其晶化动力学受到许多因素影响。,3.2 水热、溶剂热体系的成核与晶体生长,一、成核,水热、溶剂热体系的化学研究多针对无机晶体,形成无机晶体的步骤,在液相或液固界面上少量的反应试剂产生微小的不稳定的核，更多的物质自发地沉积在这些核上而生成微晶。,水热、溶剂热生长的不全是离子晶体,成核的一般特性,成核速率随过冷程度即亚稳性增加而增加,粘性也随温度降低而快速增

13、大。因此，过冷程度与粘性在影响成核速率方面具有相反的作用。这使速率随温度降低有一极大值,存在一个诱导期,在过饱和的籽晶溶液中也形成亚稳态区域，在此区域里仍不能检测出成核。在适当条件下，成核速率随溶液过饱和程度增加得非常快,组成的微小变化可引起诱导期显著变化,成核反应的发生与体系的早期状态有关,(1)在籽晶或稳定的核上的沉积速率随过饱和或过冷度而增加，搅拌会加速沉积。不易形成大的单晶，除非在非常小的过饱和或过冷条件下进行；,二、非自发成核体系晶化动力学,晶体从溶液中结晶生长需要克服一定的势垒,晶体生长具有如下一些特点,(2)在同样条件下，晶体的各个面常常以不同速率生长，高指数表面生长更快并倾向于

14、消失。晶体的习性依赖这种效应并为被优先吸附在确定晶面上的杂质如染料所影响，从而减低了这些面上的生长速率,(3)晶化反应速率整体上是增加的，在各面上的不同增长速率倾向于消失；,(4)缺陷表面的生长比无缺陷的光滑平面快；,(5)在特定表面上无缺陷生长的最大速率随着表面积的增加而降低。此种性质对在适当的时间内无缺陷单晶的生长大小提出了限制。,籽晶为线性生长速率的测定提供适当的条件。在籽晶存在下，晶化过程没有诱导期，在籽晶上的沉积速率随着有效沉积表面增加而增加。因此，为了减少或消除诱导期进而缩短整个反应所需的时间，在混合液中加入籽晶是熟知的手段。,三、自发成核体系晶化动力学若体系中没有籽晶，晶体生长必

15、定经历成核。其中晶体生长与时间的关系曲线是典型的S形。,3.3 水热、溶剂热反应装置和技术程序,水热、溶剂热反应装置,实验用高压反应器,分类,培育大晶体(如水晶等)用的大容积(10-500L)装置,布利季曼型,莫雷型,自紧式高压釜，随着容器内部压力的增加可以自动压紧到更高压力(适用于较高压力)。,外封式高压釜(容器是从外边用螺钉上紧的),Tuttle等人进一步改进后，这类装置能在更高的温度和压力下工作。,莫雷型,布利季曼型,莫雷型：试样直接或间接装在铂容器中放入反应室，置于电炉内，保持需要的温度，压力可升到101MPa。,布利季曼型将莫氏装置加以改进，使其可以在500-600C及202-303

16、MPa下进行长时间的实验。,反应釜是水热、溶剂热合成装置中的核心设备，一般是由特种不锈钢制成，并在釜内衬有Pt、聚四氟乙烯或其他耐热、耐压、抗侵蚀材料。,莫雷型水热合成实验装置,(1)按设汁要求选择反应物料并确定配方；(2)摸索配料次序，混料搅拌。(3)装釜，封釜，加压(至指定压力)；(4)确定反应温度、时间、状态(静止或动态晶化)；取釜，冷却(空气冷、水冷)；(6)开釜取样；(7)洗涤、干燥；(8)样品检测(包括进行形貌、大小、结构、比表面积和晶形检测)及化学组成分析。,水热反应合成晶体材料的一般程序,水的临界温度是374，此时的相对密度是0.33，即意味30装满度的水在临界温度下实际上是气

17、体，所以实验中既要保证反应物处于液相传质的反应状态，又要防止由于过大的装满度而导致的过高压力(否则会爆炸)。一般控制装满度在85以下、并在一定温度范围内工作。对于不同的合成体系，要严格控制所需要的压力。,水热、溶剂热实验中的关键因素是装满度,装满度指反应混合物占密闭反应釜的体积百分数,直接涉及到实验的安全及成败,溶剂热技术正好弥补了水热合成的缺点。从本质上来说，两者原理十分相似，有机溶剂也起着传递压力、媒介和矿化剂的作用。,纳米材料的水热、溶剂热合成,始于1982年，方法简单，易操作，对环境友好。出现伊始就掀起了水热合成纳米材料的热潮。已成为合成纳米材料的最重要的方法之一,水热法制备纳米粒子的

18、优点,纯度高,粒径小,粒度分布窄,团聚程度轻,晶粒发育良好,杂质少,结构缺陷少,缺陷,不能合成一些遇水分解或在水中不存在的物种,一、纳米棒或线的水热、溶剂热合成,图3-6 稀土氢氧化物纳米线的(HR)TEM照片：(ac)La(OH)3,图3-6 稀土氢氧化物纳米线的(HR)TEM照片：(df)Pr(OH)3,图3-6 稀土氢氧化物纳米线的(HR)TEM照片：g)Eu(OH)3，h)Ho(OH)3,Angew.Chem.Int.Ed.2002,41(24),4790-4793.,图3-7 不同碱度下所得稀土氢氧化物纳米晶的TEM照片：(a)Sc(OH)3纳米片(pH=6-7)，(b)Sc(OH)

19、3纳米线(pH=9-10)，(c)Sc(OH)3纳米棒(KOH,5mol/L)；(d)Gd(OH)3纳米线(pH=7)，(e)Gd(OH)3纳米棒(KOH,5mol/L),Chem.Eur.J.2005,11,2183-2195.,为了探究乙二胺在低维纳米材料合成中的作用，J.Yang等采用正丁胺为溶剂，从一个侧面证明了形成稳定的螯合配离子并不是获得低维纳米材料的唯一原因。,在溶剂热合成制备低维纳米材料时，常用的有机溶剂是乙二胺。因为乙二胺是一个二齿配体，它能与金属离子形成稳定的螯合配离子，在纳米材料的合成中除起溶剂作用外，还起着控制产物形貌的模板剂作用，而螯合配离子的形成被认为是获得低维纳米

20、材料的重要原因。但上述观点并没有得到实验的证实。,一般地，在乙二胺体系中，乙二胺有两种方式与金属离子形成配合物，如图3-8a和8b所示。而正丁胺分子只含有一个-NH2，不能与金属形成螯合物，只能与金属离子按3-8c方式配位。实验结果显示，在正丁胺体系中CdS、CdSe、ZnSe、PbSe等纳米棒都能被成功获得(见图3-9)。实验还显示反应的温度在低维材料形成中，也起着相当重要的作用。,图3-8 可能的配位模式：a)乙二胺的单齿模式；b)乙二胺的双齿模式；c)正丁胺的单齿模式,图3-9 产物的TEM照片：(a)、(b)CdSe，(c)、(d)ZnSe,图3-9 产物的TEM照片：(e)、(f)P

21、bSe，(g)CdS纳米棒,Angew.Chem.Int.Ed.2002,41(24)4697-4700.,在表面活性剂的辅助下还可以获得一些特殊的形貌。如F.Gao等采用十二硫醇辅助的溶剂热技术，以CdCl2和硫脲为原料，乙二胺为溶剂于160C下反应40h，成功地制备了多臂CdS纳米棒。,图3-10 所得产物的TEM照片：(a)三臂，(b)包括二臂、三臂、四臂等多臂和(c)SEM照片,Adv.Mater.,2002,14(21),1537-1540.,C.H.Yan等用水热微乳液技术合成了SnO2纳米棒。其工艺过程为：称取1.44gSDS溶于10.2mL正己烷和3.0mL正己醇的混合溶剂中，

22、接着加入2.0mL Sn(OH)62-溶液(SnCl4(0.5M)/NaOH(5.0M)=1:3(体积比)并超声数分钟形成微乳液，将此微乳液转入高压釜200C下反应18h，成功获得了单晶SnO2纳米棒。研究显示，起始NaOH和SnCl4的摩尔比对最终产物的形貌有较大影响,图3-11 SnO2纳米棒：(a)SEM照片，(b)TEM照片，(c)和(d)HRTEM照片，(e)NaOH/SnCl4(摩尔比)=30时所得产物的TEM照片，(f)NaOH/SnCl4(摩尔比)=20时所得产物的TEM照片,Adv.Mater.,2003,15(12),1022-1025.,S.H.Yu等以水和二乙基三胺(D

23、ETA)的混合溶剂为反应介质，Zn(NO3)26H2O和NH2CSNH2分别为锌源和硫源，于180C下反应12h成功地制备了ZnS纳米带。研究显示，改变水和二乙基三胺的体积比，可以控制终产物的形貌：水/二乙基三胺为1:2.5时，产物为纳米带；体积比为1或4时，产物分别为纳米片组成的球形花或纳米球；当溶剂中二乙基三胺进一步增加时，将获得包覆ZnS/DETA复合材料的ZnS纳米带。,图3-12 所得ZnS产物的SEM照片：(a,b)ZnS纳米带，V水/V二乙基三胺=1:2.5；(c)ZnS纳米片，V水/V二乙基三胺=1:1；(c)ZnS纳米球，V水/V二乙基三胺=4,Small,2005,1(3)

24、,320-325.,A.W.Xu等以Dy2O3粉末为原料，在160C的高压釜中反应48h，成功地制得了Dy(OH)3纳米管，并在450C下灼烧6h，使Dy(OH)3纳米管成功地转变成Dy2O3纳米管。利用同样的方法，该课题组还成功地获得其他稀土氢氧化物和相应的氧化物纳米管，包括Tb(OH)3、Y(OH)3和Tb4O7、Y2O3纳米管。,二、纳米管的水热、溶剂热合成,图3-13 所得稀土氢氧化物和相应的氧化物纳米管的SEM和(HR)TEM照片：(a,c)Dy(OH)3纳米管，(b,d)Dy2O3纳米管，(e-h)Tb(OH)3纳米管，(i)Tb4O7纳米管,J.Am.Chem.Soc.2003,

25、125,1494-1495.,图3-13 所得稀土氢氧化物和相应的氧化物纳米管的SEM和(HR)TEM照片：(j-l)Y(OH)3纳米管，(m)Y2O3纳米管,Adv.Funct.Mater.,2003,13(12),955-960.,M.S.Mo等通过Na2TeO3的原位歧化作用，在25%的氨水体系中水热180C下反应36h，可控地合成了单质碲纳米管和纳米带。并根据TEM观察结果得出纳米管是由纳米带卷曲而成的结论。,图3-14 Te纳米管(带)的TEM照片：(a,e)Te纳米带，(b-d)发生卷曲的Te纳米带,Adv.Mater.,2002,14(22),1658-1662.,图3-14 T

26、e纳米管(带)的TEM照片：(f-g)Te纳米管，(h)Te纳米带卷曲形成Te纳米管的过程,Adv.Mater.,2002,14(22),1658-1662.,Y.Xie等采用表面活性剂辅助的乙醇热路线成功地制备了PbX(OH)(X=Cl,Br,I)微管。工艺过程如下：将PbAc22H2O、NaX(X=Cl,Br,I)、Triton X-100按摩尔比1:2:1依次加入含有乙醇的反应釜中，然后在180C下分别反应72、48、12小时，即可获得产物。,图3-15 产物的SEM照片：(a,d)PbCl(OH),(b,e)PbBr(OH),(c,f)PbI(OH),Chem.Lett.,2004,3

27、3(2),194-195.,利用水热、溶剂热技术也能合成一些其他形貌的低维纳米材料。Y.Cheng等以PEG-400为表面活性剂，MoO3、NaOH、醋酸铅为原料，在160C下反应20h，制备了树枝状分形的PbMoO4纳米晶,图3-16 树枝状分形的PbMoO4的SEM(A,B)和TEM(C)照片,J.Phys.Chem.B 2005,109,794-798.,Adv.Mater.,2004,16(18),1636-1640.,S.H.Yu等进一步发展了水热合成技术，设计了一个新颖的水热-碳化反应成功合成了Ag/C纳米同心电缆。其工艺如下：在搅拌条件下，先将5g定粉溶解在40mL80C二次蒸馏

28、水中，再另取5mmolAgNO3溶解在10mL二次蒸馏水中，将上述两溶液混合在高压釜中，在160C下反应12h。,图3-17所得同心纳米电缆的SEM和TEM照片,三、微晶或单晶材料的水热、溶剂热合成,将一定量的SiO2和1.0-1.2mol/L NaOH(矿化试剂)溶液装入高压釜中(80-85%)，控制反应釜下半部(溶解区)温度在360-380C之间，上半部(结晶区)在330-350C之间，釜内压力约1500kg/cm2。此时，在反应釜的下半部是SiO2的饱和溶液，上升到上半部时，因温度降低而使SiO2呈过饱和状态，而导致-SiO2单晶的生成。,硬硅酸钙石(Ca6Si6O17(OH)2)的合成

29、,将等摩尔的CaO和SiO2，置于150-300C下反应一段时间可获得,石英晶体的制备,水热法是目前制备适用于光学仪器和压电晶体元件的大块优质水晶的唯一方法。用水热法还可制备出其他高质量的单晶材料，如刚玉(-Al2O3)、Cr3+掺杂的-Al2O3及在酸性溶液中生长的Au、Ag、As、Te、CuO等单晶。,Y.H.Ni课题组根据Pb2+可与S2O32-形成配离子的特性，设计了一个简单水热体系，以Pb(CH3COO)2、Na2S2O3为起始反应物，当Pb2+与S2O32-的摩尔比为1:4时，在100C下反应5h，成功地制备了具有魔方结构的PbS微晶。研究显示，在其他条件恒定时，改变Pb2+与S2

30、O32-的摩尔比对产物的形状有较大的影响。当Pb2+/S2O32-=1:1时产物的形貌为三棱柱；1:2时则为立方体；1:3时魔方结构开始形成；1:4时形成完美的魔方结构状晶体,图3-18 不同摩尔比率下产物的SEM照片：Pb2+/S2O32-摩尔比(A)1:1,(B)1:2,(C)1:3 and(D)1:4.,反应温度是影响产物形貌的另一个重要因素。,图3-19 相同摩尔比(Pb2+/S2O32-=1:4)和反应时间(5h)，不同温度下所得产物的SEM照片：(A)80C,(B)120C，150C,研究不同水热反应时间下产物的形貌，可以了解终产物的形貌演化过程。,图3-20 相同摩尔比(Pb2+

31、/S2O32-=1:4)和反应温度(100C)，不同反应时间下所得产物的SEM照片：A)1h,B)3h,C)5h,D)10h,不同的起始浓度、铅离子源对产物的形貌都有影响。当起始浓度是原来的2倍时，产物为花形晶体，而起始浓度是原来的1/2时，产物为立方块状晶体(见图3-21)；,图3-21 不同起始浓度下所得产物的SEM照片：A)PbAc2=0.002 mol/l,Na2S2O3=0.008mol/l；B)PbAc2=0.0005 mol/l,Na2S2O3=0.002mol/l,若用硝酸铅代替醋酸铅作为铅离子源，可获得花状晶体为主的PbS，用硫酸铅代替醋酸铅作为铅离子源，则可获得PbS立方体

32、状晶体。,图3-22 不同铅离子源时所得产物的SEM照片：A)Pb(NO3)2，B)PbSO4,Mater.Res.Bull.,2007,42(1),17-26.,四、无机材料的离子液体热合成,离子液体具有非常低的蒸气压、高的极性和热稳定性等特性，使它在无机材料合成领域有广阔的应用前景。,离子液体(ionic liquid)作为一种变通的溶剂介质，在合成、催化、分离和电化学等领域已吸引了广泛的研究兴趣。和传统的溶剂体系相比较，离子液体提供了一种完全不同的化学环境，从而对化学反应的过程产生独特的影响。,研究显示，离子液体不仅仅对反应前驱体是功能性的溶剂，对孔状材料的合成也是好的模板。如Coope

33、r等以咪唑类的离子液体为溶剂，成功地合成了几种磷酸盐基的沸石分子筛。,H.G.Zhu等报道了以含锌的离子液体做前驱体和溶剂，用离子热法合成了ZnO纳米晶，并考察了各种反应条件对产物形貌的影响。,实验工艺包括两个部分,含锌离子液体的合成,ZnO超结构的制备,将此配离子与LiTf2NNTf2-=-N(SO2CF3)2溶液按Zn2+/NTf2-=1:2充分混合后，静置，得两相分层。下层为前驱体离子液体Zn(NH2-R)4(NTf2)2。经分离、洗涤、干燥后获得前驱体。,将过量的烷基胺逐滴加入到Zn(NO3)2水溶液中，首先会产生一种白色的沉淀，接着沉淀逐渐溶解形成澄清透明的溶液，表明形成了含锌的配离

34、子Zn(NH2-R)42+。,含锌离子液体的合成,图3-23 所合成前驱体离子液体的结构图,搅拌下将0.1mL的氢氧化四甲基铵的甲醇溶液逐滴滴入前驱体中，继续搅拌10-30min至形成透明的溶液。然后室温真空蒸发掉甲醇，所得溶液在设定温度下反应几个小时，这获得了ZnO纳米超结构。,ZnO纳米超结构的合成,实验表明，当配体分别为甲胺、乙胺、丙胺、丁胺和辛胺时，所得ZnO粒子的形貌都不相同。温度对终产物的形貌也有较大的影响。当配体为甲胺时，70C下获得的ZnO形貌为花状，这些花是由尖端细的纳米条带所组成；而160C下所得产物的形状象香蕉，这是由微米级的双锥形棒组装而成的；110C时所得的ZnO产物

35、形貌是由许多纳米片形成的球。当配体为丙胺时，温度对产物形貌的影响更加微妙，随着温度的升高，“花瓣”的数目减少，对称性提高，结晶性提高(由多晶转化为单晶)。,图3-24 110C不同配体时所得ZnO纳米晶的代表性SEM和TEM照片。(a),(b)甲胺，(c),(d)乙胺，(e),(f)丙胺，(g)丁胺,图3-24 110C不同配体时所得ZnO纳米晶的代表性SEM和TEM照片。(h),(i)辛胺,Chem.Mater.,2006,18,4473-4477.,图3-25 不同温度下产物的SEM照片：(a)160C,(b)70C甲胺为配体；(c)160C,(d)70C丙胺为配体,碱的浓度对最终产物的形

36、貌也有影响。当OH-/Zn2+从1/10，经1/5变化到1/2.5时，终产物的形貌从像花状的结构逐渐变化到像珊瑚状结构，最后变成不规则的粒子,图3-26 碱的浓度对最终产物形貌的影响(配体丙胺，温度110C)：(a)OH-/Zn2+=1/10，(b)OH-/Zn2+=1/5，(c)OH-/Zn2+=1/2.5,研究显示，独自改变时间对产物形貌没有较大影响,在离子液体中ZnO纳米晶的形成可能反应机理为：,首先，胺基锌和氢氧根离子作用生成带有单位电荷的氢氧化胺基锌，接着氢氧化胺基锌热分解产生了ZnO，进而生成了各种形貌的纳米晶。,用离子液体热合成无机材料还是一个全新的领域，许多理论都不成熟，尚待进

37、一步深入研究,总结：水热法,水热法（Hydrothermal Synthesis）是在特制的密闭反应容器里（高压釜），采用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热，创造一个相对高温（100-1000）、高压（1-100MPa）的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解并重结晶，从而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。,总结：水热法的分类,按反应和研究目的的不同，可分为水热晶体生长（用来生长各种单晶）、水热反应（用来制备各种功能陶瓷粉体）、水热处理反应（完成某些有机反应或对一些危害人类生存环境的有机废弃物进行处理）、水热烧结反应（在相对较低的温度下完成对某些陶瓷材料的烧结）等。,总结：水热反应设备

38、的分类,按反应设备分类釜式间歇水热反应：以反应釜作为反应容器，间歇性投料和获取产品，非稳态。管式连续水热反应：以金属列管作为反应容器，仪器控制连续投料并获取产品。,总结：水热法温度压力的分类,按反应温度分类中温中压：100-240，1-20MPa高温高压：大于240，大于20MPa,总结：水热溶剂热反应工艺,高压釜是进行高温高压水热与溶剂热合成的基本设备，研究的内容和水平在很大程度上都取决于反应釜的性能和效果。在高压容器的材料选择上，要求机械强度大、耐高温、耐腐蚀和易加工，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。,简易高压反应釜实物图,

39、总结：高压反应釜的分类,带搅拌高压反应釜装置图,总结：高压反应釜的分类,总结：工艺流程,釜式,总结：工艺流程,管式,总结：水热法局限性,该法往往只适用于氧化物功能材料或少数一些对水不敏感的硫族化物的制备与处理，而对其他一些对水敏感（与水反应、水解、分解或不稳定）的化合物如磷（砷）酸盐分子筛三维骨架结构材料的制备与处理就不太适用。,总结：溶剂热法,溶剂热法（Solvothermal Synthesis），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

40、、硫族化合物、新型磷（砷）酸盐分子筛三维骨架结构等。,总结：水热溶剂热法的特点,1）水热和溶剂热条件下物质的物理性质和化学反应性与通常的条件相比有较大的改变，反应物反应性能改变、活性提高，溶剂热条件下的化学反应与常态大不相同，其产物有独特性。水热和溶剂热条件下的反应在通常条件下难于发生。2）水热和溶剂热条件下易于生成中间态、介稳态及特殊相，能够合成和开发出具有特种介稳结构、特种凝聚态的新产物。,3）能够使低熔点化合物、高蒸汽压且不能在熔体中生成的物质、高温分解相在水热和溶剂热低温条件下晶化生成。4）水热和溶剂热的相对低温、等压、溶液条件，有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体，产物结晶度高，而

41、且易于控制产物晶体的粒度。5）水热和溶剂热条件下的环境气氛易于调节(隔绝空气)，因此易于制得低价态、中间价态和特殊价态的化合物，还能够进行均匀地掺杂。,总结：水热溶剂热法的特点,总结：水热溶剂热条件下 介质的性质,在水热或溶剂热条件下，物质的化学行为与该条件下的反应介质水或非水溶剂的物理化学性质（如蒸汽压、热扩散系数、粘度、介电常数、表面张力等）有密切关系。,总结：水的性质,在高温高压的水热体系中，水的性质发生下列变化：1）蒸汽压变高2）密度变小3）表面张力变小4）粘度变小5）离子积变高6）介电常数随温度升高而下降，随压力增加而升高。,总结：离子积升高,水作为水热反应的介质，其活性增强，会促进

42、水热反应的进行。水的离子积随P和T的增加迅速增大。例如1000 C，1GPa条件下水的离子积Kw=10-7.85，H3O+和OH-浓度明显增加，几乎类同于熔融盐.,在高温高压水热条件下，反应速率自然会增大，根据Arrhenius方程，反应速率常数随温度的增加呈指数函数，因此，水热条件下物质的反应性能明显增加的主要原因是水的电离常数随反应温度压力的上升而增加，常温常压不溶于水的矿物或有机物，水热条件下也能诱发离子反应或促进水解反应。,总结：离子积升高,总结：粘度和表面张力降低,水的粘度和表面张力随温度升高而下降。例如，在300500 C，水热溶液的粘度约为91410-5Pa*s，较常温常压下水溶

43、液的粘度约低两个数量级，这使得离子和分子的活动性大为增加，在水热溶液中存在着十分有效的扩散，从而使得水热晶体生长较其他水溶液晶体生长具有更快的生长速率。,总结：介电常数的变化,水的介电常数随温度的升高而下降，随压力的升高而升高,介电常数下降对水作为溶剂时的能力和行为产生影响。例如，在通常情况下，电解质在水溶液中完全离解，而在水热条件下，随温度上升，水的介电常数降低，电解质趋向于重新结合，不能更为有效地分解，对于大多数物质，这种转变常常在200500 C之间。,总结：介电常数的变化,总结：热扩散系数增大,总结：水的密度降低,方法,总结：蒸汽压变高,压力的作用可以增加分子间碰撞的机会而加速反应，压

44、强与温度、填充度关系密切（自生压力）：工作条件下压强的大小依赖于反应容器中溶剂的原始填充度，填充度通常在50%80%为宜。,总结：水的作用,归纳起来，水热条件下水的主要作用有（1）溶剂作用，提高物质的溶解度（2）起压力传递介质的作用（3）促进反应和重排的作用（4）有时作为反应物参与反应,总结：溶剂热反应中溶剂的作用,溶剂作用，为反应提供场所传递压力作用矿化剂作用作为化学组分参与反应 使反应物溶解或部分溶解产生溶剂合物，起溶剂化作用,溶剂化作用会影响反应物的反应性能和反应的速率，影响反应物活性物种在溶液中的浓度、解离度，以及聚合态的分布等，从而改变反应过程。,总结：溶剂热反应中溶剂的作用,总结：选择溶剂的原则,溶剂应该有较低的临界温度，因为对应的较低粘度使得离子的扩散更加迅速，这将有利于反应物的溶解和产物的结晶。所选的溶剂应该有利于产物从反应介质中结晶。溶剂不会和反应物反应，即在所选择的溶剂中不会发生反应物的分解。如果需要溶剂参与反应，还应考虑溶剂的反应性能，如还原能力等。,谢 谢！,