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水熱合成及其在粉體領(lǐng)域的應(yīng)用
閱讀：2202 發(fā)布時(shí)間：2021-1-22
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,，我國(guó)各個(gè)領(lǐng)域都取得了很大的發(fā)展,，方法也變得多樣化。在材料合成和新材料開(kāi)發(fā)方面我國(guó)也取得了很大的進(jìn)步,，而且由于水熱合成法具有操作簡(jiǎn)單,、方便快捷的特點(diǎn)，得到了較為廣泛的應(yīng)用,。下面我們就來(lái)具體了解一下水熱合成,。
1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(zhì)化學(xué)反應(yīng)所進(jìn)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(yīng)容器里,，采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，對(duì)反應(yīng)容器加熱,，創(chuàng)造一個(gè)高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境,，使通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶而進(jìn)行的,、無(wú)機(jī)合成與材料處理。水熱合成反應(yīng)過(guò)程的驅(qū)動(dòng)力是后可溶的前驅(qū)體或中間產(chǎn)物與終產(chǎn)物之間的溶解度差,，即反應(yīng)向吉布斯焓減小的方向進(jìn)行,。
(3)水熱合成的特點(diǎn)
①在相對(duì)低的溫度下反應(yīng),；
?、谀軌蚣铀僦匾x子間的反應(yīng)；
?、勰軌蛑苽渚哂衼喎€(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料,。
2.水熱合成的具體過(guò)程
(1)基本設(shè)備：水熱合成反應(yīng)釜
按密封方式：自緊式高壓釜、外緊式高壓釜,；
按密封的機(jī)械結(jié)構(gòu)分類：內(nèi)螺旋塞式,、大螺帽式,、杠桿壓機(jī)式；
按壓強(qiáng)產(chǎn)生分類：內(nèi)壓釜,、外壓釜,；
按加熱條件分類：外熱高壓釜、內(nèi)熱高壓釜,。
玻璃反應(yīng)釜和不銹鋼反應(yīng)釜
(2)裝滿度
裝滿度是指反應(yīng)混合物占密閉反應(yīng)釜空間的體積分?jǐn)?shù),，較為安全的操作是裝滿度不要過(guò)高，通常在50%-80%為宜,。
不同填充度下水的壓強(qiáng)-溫度圖(FC-p-T圖)
(3)水熱合成的具體流程
?、龠x擇反應(yīng)前驅(qū)物，確定反應(yīng)前驅(qū)物的計(jì)量比,；
?、诿髑膀?qū)物加入順序，混料攪拌,；
?、垩b釜、封釜,、置入烘箱,；
④確定反應(yīng)溫度,、時(shí)間,、狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)；
?、萑「?、冷卻(空氣冷或水冷)、取樣,；
?、捱^(guò)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(yīng)溫度越高，晶體生長(zhǎng)速率加快,，晶粒平均粒度越大,，粒度分布范圍越寬。
壓強(qiáng)：
增加分子間的碰撞機(jī)會(huì)加快反應(yīng)速度,，影響反應(yīng)物的溶解度,，生成物的形貌和粒徑。
pH值：
影響過(guò)飽和度、動(dòng)力學(xué),、形態(tài),、顆粒大小。
反應(yīng)時(shí)間：
晶粒粒度隨著水熱反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸增大,。
雜質(zhì)：
改變晶體的結(jié)構(gòu)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(yīng)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(wú)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(nèi)改變參數(shù),，使兩種或兩種以上的化合物起反應(yīng)，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(fù)鹽用水調(diào)漿,，無(wú)需或只需極少量試劑,，控制適當(dāng)溫度合氧分壓等條件，即可制得超細(xì)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(jìn)行分離而得單一化合物超細(xì)粉體,。
如：ZrSiO4+NaOH→ZrO2+NaSiO3
(6)水熱結(jié)晶：
可使一些非晶化合物脫水結(jié)晶。
如：Al(OH)3→Al2O3•H2O
4.水熱體系中的晶粒形成的三種機(jī)制
(1)“均勻溶液飽和析出””機(jī)制：
由于水熱反應(yīng)溫度和體系壓力的升高,，溶質(zhì)在溶液中溶解度降低并達(dá)到飽和,，以某種化合物結(jié)晶態(tài)形式從溶液中析出。
(2)“溶解-結(jié)晶”機(jī)制：
“溶解”是指水熱反應(yīng)初期,，前驅(qū)物微粒之間的團(tuán)聚和聯(lián)接遭到破壞,，從而使微粒自身在水熱介質(zhì)中溶解，以離子或離子團(tuán)的形式進(jìn)入溶液,，進(jìn)而成核、結(jié)晶而形成晶粒,。
(3)“原位結(jié)晶”機(jī)制：
當(dāng)選用常溫常壓下不可溶的固體粉末,，凝膠或沉淀為前驅(qū)物時(shí)，如果前驅(qū)物和晶相的溶解度相差不是很大時(shí),，或者“溶解-結(jié)晶”的動(dòng)力學(xué)速度過(guò)慢,，則前驅(qū)物可以經(jīng)過(guò)脫去羥基(或脫水)，原子原位重排而轉(zhuǎn)變?yōu)榻Y(jié)晶態(tài)。
5.水熱合成的應(yīng)用
(1)制備介穩(wěn)材料
介穩(wěn)材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)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(wěn)微孔晶體材料，具有分子尺寸周期性排布的孔道結(jié)構(gòu),。
林德A型沸石的結(jié)構(gòu)
(2)制備超細(xì)粉體
水熱合成法是制備超細(xì)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(zhì)對(duì)產(chǎn)物的污染。
水熱合成超細(xì)粉體的優(yōu)點(diǎn)
(3)晶體生長(zhǎng)
水熱合成法可以合成水晶,、剛玉(紅寶石,、藍(lán)寶石)、綠柱石(祖母綠,、海藍(lán)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(xué)儀器和壓電晶體元件的大塊優(yōu)質(zhì)水晶的方法,。