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水熱合成及其在粉體領(lǐng)域的應(yīng)用
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我國各個領(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發(fā)方面我國也取得了很大的進(jìn)步，而且由于水熱合成法具有操作簡單、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
?。?）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)，對反應(yīng)容器加熱，創(chuàng)造一個高溫、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、無機(jī)合成與材料處理。水熱合成反應(yīng)過程的驅(qū)動力是最后可溶的前驅(qū)體或中間產(chǎn)物與最終產(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。
?。?）水熱合成的特點(diǎn)
①在相對低的溫度下反應(yīng)；
?、谀軌蚣铀僦匾x子間的反應(yīng)；
③能夠制備具有亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的材料。
2.水熱合成的具體過程
?。?）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
?。?）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)
?。?）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)物的計量比；
?、诿髑膀?qū)物加入順序，混料攪拌；
③裝釜、封釜、置入烘箱；
④確定反應(yīng)溫度、時間、狀態(tài)進(jìn)行反應(yīng)；
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
?。?）水熱合成的影響因素
溫度：反應(yīng)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(qiáng)：增加分子間的碰撞機(jī)會加快反應(yīng)速度，影響反應(yīng)物的溶解度，生成物的形貌和粒徑。
pH值：影響過飽和度、動力學(xué)、形態(tài)、顆粒大小。
反應(yīng)時間：晶粒粒度隨著水熱反應(yīng)時間的延長而逐漸增大。
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
?。?）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
?。?）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
?。?）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
?。?）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
?。?）“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，如果前驅(qū)物和晶相的溶解度相差不是很大時，或者“溶解-結(jié)晶”的動力學(xué)速度過慢，則前驅(qū)物可以經(jīng)過脫去羥基（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
?。?）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)
?。?）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：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。
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