水热与溶剂热
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第三章-水热和溶剂热法
水热、溶剂热反应的基本类型
(1)合成反应
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 NdP5O14 CaO· nAl2O3 + H3PO4 Ca(PO4)3OH + AlPO4 La2O3 + Fe2O3 + SrCl2 (La, Sr)FeO3 FeTiO3 + KOH K2O· nTiO2 (n = 4, 6)
例如
Cr + H2O Cr2O3 + H2 Zr + H2O ZrO2 + H2 M + n L MeLn (L = 有机配体) 使溶胶、凝胶(so1、gel)等非晶 态物质晶化的反应
(11)晶化反应 例如
CeO2· xH2O CeO2 ZrO2· H2O M-ZrO2 + T-ZrO2 硅铝酸盐凝胶 沸石
四、有机溶剂的性质标度
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。
§3.2 水热、溶剂热体系的成核与晶体生长
(6)脱水反应
一定温度、压力下物质脱水结晶的反应 例如
(7)分解反应
分解化合物得到结晶的反应
例如 FeTiO FeO + TiO 3 2 ZrSiO4 + NaOH Na2SiO3 + ZrO2 FeTiO3 + K2O FeO + K2O· nTiO2 (n = 4, 6)
(8)提取反应
水热法和溶剂热法的区别
溶剂热法是在水热法的基础上发展起来的，指密闭体系如高压釜内，以有机物或非水溶媒为溶剂，在一定的温度和溶液的自生压力下，原始混合物进行反应的一种合成方法。
它与水热反应的不同之处在于所使用的溶剂为有机物而不是水。
水热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属化合物的制备与处理，涉及到一些对水敏感(与水反应、水解、分解或不稳定)的化合物如Ⅲ一V族半导体、碳化物、氟化物、新型磷(砷)酸盐分子筛三维骨架结构材料的制备与处理就不适用，这也就促进了溶剂热法的产生和发展。
为有机溶剂而不是水。
在溶剂热反应中，通过把一种或几种前驱体溶的比较活泼，反应发生，产物缓慢生成。
该过程相对简单而且易于控制，并且在密闭体系中可以有效的防止有毒物质的挥发和制备对空气敏感的前驱体。
另外，物相的形成、粒径的大小、形态也能够控制，而且，产物的分散性较好。
在溶剂热条件下，溶剂的性质（密度、粘度、分散作用)相互影响，变化很大，且其性质与通常条件下相差很大，相应的，反应物（通常是固体）的溶解、分散过及化学反应活性大大的提高或增强。
这就使得反应能够在较低的温度下发生。
水热法（Hydrothermal）是19 世纪中叶地质学家模拟自然界成矿作用而开始研究的。
1900 年后科学家们建立了水热合成理水热法论,以后又开始转向功能材料的研究。
目前用水热法已制备出百余种晶体。
水热法又称热液法,属液相化学法的范畴。
是指在密封的压力容器中,以水为溶剂,在高温高压的条件下进行的化学反应。
水热反应依据反应类型的不同可分为水热氧化、水热还原、水热沉淀、水热合成、水热水解、水热结晶等。
其中水热结晶用得最多。
在这里简单介绍一下它的原理: 水热结晶主要是溶解———再结晶机理。
首先营养料在水热介质里溶解,以离子、分子团的形式进入溶液。
利用强烈对流(釜内上下部分的温度差而在釜内溶液产生) 将这些离子、分子或离子团被输运到放有籽晶的生长区(即低温区) 形成过饱和溶液,继而结晶。
水热和溶剂热法
机化合物以及特种凝聚态材料，如超微粒、溶胶与凝胶、非晶态、无机膜、单晶等合成的越来越重要的途径。
水热合成与其它合成法的差别：
• 利用水热法合成出来的粉末一般结晶度非常高，并且通过优化 合成条件可以不含有任何结晶水。
• 它同其他的溶液法粉末合成技术相比，例如溶胶一凝胶（sol－ gel）法以及化学沉淀法，具有明显的区别：从合成条件来说， 主要区别在于它们的合成温度和压力明显不同。水热法的温度 范围一般在100～374℃（水的临界温度）之间，压力从环境压 力到 21.7 Mpa（水的临界压力）。不需煅烧可直接获得粉体， 相比之下，溶胶一凝胶和化学沉淀法一般都需要600℃以上煅 烧才能得到陶瓷粉末。
• 这一类合成方法有时也被称为水热反应合成，以区别普通的仅 仅是溶质再结晶过程的水热合成。不过它们的界限经常非常模 糊。
水热法合成的主要驱动力
• 水热法合成陶瓷粉末的主要驱动力是氧化物在不同状态下溶解 度的不同。
例如普通的氧化物粉末（有较高的晶体缺陷密度）、无 定型氧化物粉末、氢氧化物粉末、溶胶－凝胶粉末等在溶剂中 的溶解度一般比高结晶度、低缺陷密度的粉末溶解度大。在水 热反应的升温升压过程中，前者的溶解度不断增加，当达到一 定的浓度时，就会沉淀出后者。
• 因此水热法粉末合成的过程实质上就是一个溶解／再结晶的过 程。
分类
研究表明这些沸石的生成是通过硅酸盐物种围绕有机阳离子聚合并生成三维结构的。
,且2反00应2,后14需(2等1按)高, 1温压53釜度7完-1划5全4冷0分. 却：后才可打开，以防压力突然释放，热液外溅造成危险。 人但工这水 并晶不、是刚说• 玉在如、中方性按解或水石酸、性热红溶与锌液矿中溶、就剂蓝无石法热棉进反等行应上水百热进种合行以成上。的晶温体的度生来长都划已分经发，展可到分工业为化亚的规临模界。 和 超 临 界 合 成 反 应 。 图水3热-1法7的所温得度同• 范心在围纳一米较般电低在缆1的的0S0温E～M3度和74T℃范E（M围照水片的( 1临0界0温～度）2之4 0间℃，压) 力属从于环亚境压临力界到 2合1. 成 高水含量的沸• 石如一般果要是求低在温高合成温，高而低压水条含件量的下沸，石一作般为要求反高应温合介成质。的 水 在超 临 界 状 态 下， 利 用 水 和 反应 物 在 高 温 高压 ( 1 00 0 ℃ ， 0 .3 G Pa) 1p4H0升-1高80会ºC缩下短2成4水小核时时热间条，件加快下晶的化速特度殊，但性同质时会进降行低产的率合。成 为 超 临 界 合 成 反 应 。
水热合成与其它合成法的差别：
• 利用水热法合成出来的粉末一般结晶度非常高，并且通过优化 合成条件可以不含有任何结晶水。
• 它同其他的溶液法粉末合成技术相比，例如溶胶一凝胶（sol－ gel）法以及化学沉淀法，具有明显的区别：从合成条件来说， 主要区别在于它们的合成温度和压力明显不同。水热法的温度 范围一般在100～374℃（水的临界温度）之间，压力从环境压 力到 21.7 Mpa（水的临界压力）。不需煅烧可直接获得粉体， 相比之下，溶胶一凝胶和化学沉淀法一般都需要600℃以上煅 烧才能得到陶瓷粉末。
• 这一类合成方法有时也被称为水热反应合成，以区别普通的仅 仅是溶质再结晶过程的水热合成。不过它们的界限经常非常模 糊。
水热法合成的主要驱动力
• 水热法合成陶瓷粉末的主要驱动力是氧化物在不同状态下溶解 度的不同。
例如普通的氧化物粉末（有较高的晶体缺陷密度）、无 定型氧化物粉末、氢氧化物粉末、溶胶－凝胶粉末等在溶剂中 的溶解度一般比高结晶度、低缺陷密度的粉末溶解度大。在水 热反应的升温升压过程中，前者的溶解度不断增加，当达到一 定的浓度时，就会沉淀出后者。
• 因此水热法粉末合成的过程实质上就是一个溶解／再结晶的过 程。
分类
研究表明这些沸石的生成是通过硅酸盐物种围绕有机阳离子聚合并生成三维结构的。
,且2反00应2,后14需(2等1按)高, 1温压53釜度7完-1划5全4冷0分. 却：后才可打开，以防压力突然释放，热液外溅造成危险。 人但工这水 并晶不、是刚说• 玉在如、中方性按解或水石酸、性热红溶与锌液矿中溶、就剂蓝无石法热棉进反等行应上水百热进种合行以成上。的晶温体的度生来长都划已分经发，展可到分工业为化亚的规临模界。 和 超 临 界 合 成 反 应 。 图水3热-1法7的所温得度同• 范心在围纳一米较般电低在缆1的的0S0温E～M3度和74T℃范E（M围照水片的( 1临0界0温～度）2之4 0间℃，压) 力属从于环亚境压临力界到 2合1. 成 高水含量的沸• 石如一般果要是求低在温高合成温，高而低压水条含件量的下沸，石一作般为要求反高应温合介成质。的 水 在超 临 界 状 态 下， 利 用 水 和 反应 物 在 高 温 高压 ( 1 00 0 ℃ ， 0 .3 G Pa) 1p4H0升-1高80会ºC缩下短2成4水小核时时热间条，件加快下晶的化速特度殊，但性同质时会进降行低产的率合。成 为 超 临 界 合 成 反 应 。
水热溶剂热
3.1.3 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200~500 ˚C之间。
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。
Hale Waihona Puke 第三节水热与溶剂热条件下 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。
3.1 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。
简易高压反应釜实物图
带搅拌高压反应釜装置图
工艺流程
釜式
混合搅拌
取 釜
干燥
工艺流程
管式
反应物料选择 确定物料配方 优化配料序
连续泵入反应管
确定反应条件
混料搅拌
产物分离干燥
表征
水热法局限性
水热与溶剂热
(62.)5脱m水m反/d应。：
在一定温度一定压力下物质脱水结晶的反应。例如，
Mg (OH
)2
SiO2
350～370 oC 8 ~ 23MPa
温石棉
(7)分解反应
在水热与溶剂热条件下分解化合物得到结晶的反应。 例如，
FeTiO3→FeO+TiO2 ZrSiO4+NaOH→ZrO2+NaSi (O8)3提取反应
6
7
水热法：
最早采用水热法制备材料：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，其中经鉴定确定有石英，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
✓ 在有机溶剂中进行的反应能够有效地抑制产物的氧
化过程或水中氧的污染；
✓ 非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料的范围大
大扩大，比如氟化物，氮化物，硫化合物等均可作 为溶剂热反应的原材料；同时，非水溶剂在亚临界 或超临界状态下独特的物理化学性质极大地扩大了 所能制备的目标产物的范围；
✓ 由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们
水热与溶剂热合成
目
录
2.1 水热与溶剂热的基本概念 2.1 水热与溶剂热合成方法的发展 2.2 水热与溶剂热合成方法原理 2.3 水热与溶剂热合成工艺
水热与溶剂热合成方法应用实例
2.4
2
基本概念
3
什么叫水热与溶剂热合成？
水热与溶剂热合成是指在一定温度(100-1000℃)和压强 (1-100MPa)条件下利用溶液中物质化学反应所进行的无 机合成与材料制备的一种有效方法。
在一定温度一定压力下物质脱水结晶的反应。例如，
Mg (OH
)2
SiO2
350～370 oC 8 ~ 23MPa
温石棉
(7)分解反应
在水热与溶剂热条件下分解化合物得到结晶的反应。 例如，
FeTiO3→FeO+TiO2 ZrSiO4+NaOH→ZrO2+NaSi (O8)3提取反应
6
7
水热法：
最早采用水热法制备材料：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，其中经鉴定确定有石英，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
✓ 在有机溶剂中进行的反应能够有效地抑制产物的氧
化过程或水中氧的污染；
✓ 非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料的范围大
大扩大，比如氟化物，氮化物，硫化合物等均可作 为溶剂热反应的原材料；同时，非水溶剂在亚临界 或超临界状态下独特的物理化学性质极大地扩大了 所能制备的目标产物的范围；
✓ 由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们
水热与溶剂热合成
目
录
2.1 水热与溶剂热的基本概念 2.1 水热与溶剂热合成方法的发展 2.2 水热与溶剂热合成方法原理 2.3 水热与溶剂热合成工艺
水热与溶剂热合成方法应用实例
2.4
2
基本概念
3
什么叫水热与溶剂热合成？
水热与溶剂热合成是指在一定温度(100-1000℃)和压强 (1-100MPa)条件下利用溶液中物质化学反应所进行的无 机合成与材料制备的一种有效方法。
第四章水热与溶剂热合成介绍
第四章 水热与溶剂热合成
第一节 水热与溶剂热合成基础
1、合成化学与技术 水热与溶剂热合成是指在一定温度 （100~1000℃）和压强（1~100MPa） 条件下利用溶液中物质化学反应所进行 的合成。侧重于研究水热合成条件下物 质的反应性、合成规律以及产物的结构 和性质。可进行特殊化合物与材料的制 备、合成和组装。
容易控制反应的化学环境和操作 中间态、介稳态和特殊物相易于生成 例：1996年庞文琴教授用水热体系合成 JDF-L1（催化剂），目前是人工合成的 五配位钛化合物，具有良好的氧化催化 性能。美国学者合成金刚石。 钱逸泰教授在非水体系中合成了氮化镓、 金刚石、硫属化纳米晶。
4、复合氧化物与复合氟化物的合成
生长体表面活性中心的吸引，穿过生长表面的扩散层沉降 到石英体表面
影响石英晶体生长的因素
温度 dlnv/dT=c/RT2 压强：是原始填充度、温度和温差的函 数。提高压强生长速率加快。 过饱和度 v=kvS
在高温条件下，相应地提高填充度和溶液 的碱度可提高晶体的完整度
水热合成石英的装置
3、特殊结构、凝聚态与聚集态
氧化反应 沉淀反应 晶化反应 水解反应 烧结反应 水热热压反应 反应烧结
４、反应介质的性质
4.1 溶剂水的性质 高温加压下水热反应的特征： 使重要的离子间的反应加速 水解反应加剧 氧化还原电势明显变化
高温高压水热体系水性质
蒸汽压变高 密度变低 表面张力变低 粘度变低 离子积变高
２、合成特点
由于在水热与溶剂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 成方法有可能替代固相反应及难于进行的合成反应，形成一系列新的合成方法。
第一节 水热与溶剂热合成基础
1、合成化学与技术 水热与溶剂热合成是指在一定温度 （100~1000℃）和压强（1~100MPa） 条件下利用溶液中物质化学反应所进行 的合成。侧重于研究水热合成条件下物 质的反应性、合成规律以及产物的结构 和性质。可进行特殊化合物与材料的制 备、合成和组装。
容易控制反应的化学环境和操作 中间态、介稳态和特殊物相易于生成 例：1996年庞文琴教授用水热体系合成 JDF-L1（催化剂），目前是人工合成的 五配位钛化合物，具有良好的氧化催化 性能。美国学者合成金刚石。 钱逸泰教授在非水体系中合成了氮化镓、 金刚石、硫属化纳米晶。
4、复合氧化物与复合氟化物的合成
生长体表面活性中心的吸引，穿过生长表面的扩散层沉降 到石英体表面
影响石英晶体生长的因素
温度 dlnv/dT=c/RT2 压强：是原始填充度、温度和温差的函 数。提高压强生长速率加快。 过饱和度 v=kvS
在高温条件下，相应地提高填充度和溶液 的碱度可提高晶体的完整度
水热合成石英的装置
3、特殊结构、凝聚态与聚集态
氧化反应 沉淀反应 晶化反应 水解反应 烧结反应 水热热压反应 反应烧结
４、反应介质的性质
4.1 溶剂水的性质 高温加压下水热反应的特征： 使重要的离子间的反应加速 水解反应加剧 氧化还原电势明显变化
高温高压水热体系水性质
蒸汽压变高 密度变低 表面张力变低 粘度变低 离子积变高
２、合成特点
由于在水热与溶剂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 成方法有可能替代固相反应及难于进行的合成反应，形成一系列新的合成方法。
水热与溶剂热法
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。
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
反应的基本类型
（1）合成反应
Nd2O3 ＋ H3PO4 → NdP5O14
CaO·nAl2O3 + H3PO4 → Ca5(PO4)3OH+AlPO4
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
反应的基本类型
(1) 在籽晶或稳定的核上的沉积速率随着过 饱和或过冷的程度而增加，搅拌常会加速 沉积 ， 但不易形成大的单晶，除非在非常 小的过饱和或过冷条件下进行。
（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影响， 从而减低了这些面上的生长速率。
蛇纹石主要是超基性岩或镁质碳酸岩中的富镁的矿物经热 液交代变质而成。蛇纹石可作为耐火材料和生产钙镁磷肥的原 料。绿色不透明者称岫玉，因辽宁岫岩县出产而得名，是著名 的玉石。
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
反应的基本类型
(4) 离子交换反应 硬水的软化、长石中的离子交换
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
(8) 提取反应 从化合物或矿物中提取金属 钾矿石中钾的水热提取 重灰石中钨的水热提取
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
反应的基本类型
(9) 氧化反应
金属和高温高压的纯水、水溶液、有
机溶剂得到的新氧化物、配合物、金属有 机化合物的反应。
Cr ＋ H2O Me ＋ nL
Cr2O3 + H2 MeLn
(Me = 金属离子，L有机配体）
一些研究发现成核发生在溶液与某种组 分的界面上。因此，在适当条件下，成核速 率随溶液过饱和程度增加得非常快。
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
反应的基本类型
（1）合成反应
Nd2O3 ＋ H3PO4 → NdP5O14
CaO·nAl2O3 + H3PO4 → Ca5(PO4)3OH+AlPO4
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
反应的基本类型
(1) 在籽晶或稳定的核上的沉积速率随着过 饱和或过冷的程度而增加，搅拌常会加速 沉积 ， 但不易形成大的单晶，除非在非常 小的过饱和或过冷条件下进行。
（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影响， 从而减低了这些面上的生长速率。
蛇纹石主要是超基性岩或镁质碳酸岩中的富镁的矿物经热 液交代变质而成。蛇纹石可作为耐火材料和生产钙镁磷肥的原 料。绿色不透明者称岫玉，因辽宁岫岩县出产而得名，是著名 的玉石。
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
反应的基本类型
(4) 离子交换反应 硬水的软化、长石中的离子交换
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
(8) 提取反应 从化合物或矿物中提取金属 钾矿石中钾的水热提取 重灰石中钨的水热提取
§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
反应的基本类型
(9) 氧化反应
金属和高温高压的纯水、水溶液、有
机溶剂得到的新氧化物、配合物、金属有 机化合物的反应。
Cr ＋ H2O Me ＋ nL
Cr2O3 + H2 MeLn
(Me = 金属离子，L有机配体）
一些研究发现成核发生在溶液与某种组 分的界面上。因此，在适当条件下，成核速 率随溶液过饱和程度增加得非常快。
水热与溶剂热技术
• 由于水热与溶剂热化学的可操作性和可调 变性，因此成为衔接合成化学和合成材料 物理性质之间的桥梁。 • 随着水热与溶剂热合成化学研究的深入， 开发的水热与溶剂热合成反应已有多种类 型。基于这些反应而发展起来的水热与溶 剂热合成方法与技术具有其它合成方法无 法替代的特点，显示出广阔的发展前景。
水热与溶剂热合成法的技术特点
• 由于在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。 • 由于在水热与溶剂热条件下中间态、介稳态以及 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。 • 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。
• 在300°C，dliq. = 0.75 gcm-3, 而dgas = 0.05 gcm-3 随T上升， dliq.逐渐减小， dgas逐渐增 大。当T = TC = 374 °C时， dgas= dliq.= 0.321 gcm-3 (临界水)。当T > TC时，只有气 态水存在，叫做超临界supercritical)水或流 体(fluid)水。T < Tc时的水叫亚临界 (subcritical)水。
实验室常用水热釜
理想水热釜的特点
常用压力容器
常用内衬材料
高压容器的分类
• 按密封方式分类：自紧式高压釜；外紧式高压釜。 • 按密封的机械结构分类：法兰盘式，内螺塞式， 大螺帽式，杠杆压机式。 • 按压强产生分类：内压釜：靠釜内介质加温形成 压强，根据介质填充计算压强。外压釜：压强由 釜外加入并控制。 • 按设计人名分类：Morey釜（莫里釜）； Smith釜 （斯密斯釜）；Tuttle釜（塔特尔釜或冷封试管 高压釜）；Barnes釜（巴恩斯釜或巴恩斯摇摆反 应器）。
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第二节
水热与溶剂热条件下介质的性质
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2.1 水的性质
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2.1.1 离子积变高
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2.1.2 粘度和表面张力降低
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6.4 合成与现场表征技术
传统的水热或溶剂热反应的表征方法 是在快速中止反应后,应用光学和X射线等 物理手段测试体系或产物的变化和结构. 如在超临界体系中用高压液相色谱法, 气相色谱法或气相色谱法-质谱法分析产物. 虽然该法非常普遍,但它有一个不容忽视 的缺点,即反应的中间过程只能推测不能 观察.
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(7)分解反应 在水热与溶剂热条件下分解化合物 得到结晶的反应.例如: FeTiO3 → FeO+TiO2 ZrSO4+NaOH → ZrO2+NaSiO3 FeTiO3+K2O → K2OnTiO2(n=4,6)+FeO (8)提取反应 在水热与溶剂热条件下从化合物 (或矿物)中提取金属的反应.例如:钾矿石中钾 的水热提取,重灰石中钨的水热提取.
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2.1.3 介电常数变低
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2.1.4 热扩散系数变高
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2.1.5 密度变低
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2.1.6 蒸汽压变高
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2.2 水的作用
归纳起来,水热条件下水的主要作用有: (1)有时作为化学组分起化学反应 (2)反应和重排的促进剂 (3)起压力传递介质的作用 (4)起溶剂作用 (5)起低熔点物质的作用 (6)提高物质的溶解度
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(14)反应烧结 在水热与溶剂热条件下同时进行 化学反应和烧结反应.例如:氧化铬,单斜氧化 锆,氧化铝-氧化锆复合体的制备. (15)水热热压反应 在水热热压条件下,材料固 化与复合材料的生成反应.例如:反射性废料处 理,特殊材料的固化成型,特种复合材料的制备.
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(11)晶化反应 在水热与溶剂热条件下,使溶胶, 凝胶(sol,gel)等非晶态物质晶化的反应.例 如: CeO2xH2O → CeO2 ZrO2+H2O → M-ZO2+T-ZO2 硅铝酸盐凝胶 → 沸石 (12)水解反应 在水热与溶剂热条件下,进行加 水分解的反应.例如:醇盐水解等. (13)烧结反应 在水热与溶剂热条件下,实现烧 结的反应.例如:制备含有OH-,F-,S2-等挥发性 物质的陶瓷材料.
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更直接的方法是使用光谱.由于要进行实时 在线观测,视窗材料必须耐腐蚀,能透过入射光. 单晶蓝宝石视窗于中红外;Ⅱ型金刚石则用于拉 曼与红外区域.由于腐蚀与临界点附近密度波动 大的影响,产生的临界乳白色光会削弱散射光测 量的灵敏度.为解决此问题,于是使用傅立叶变 换-拉曼光谱. 目前,已经应用激光光谱观察亚纳秒范围内 超临界水反应,也有应用组合技术开发新的合成 与现场表征联合技术.
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第六节 水热与溶剂热合成技术
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6.1 反应釜
反应釜是进行水热方应的基本仪器设备. 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. 在高压容器的设计上,要求结构简单, 便于开装和清洗,密封严密,安全可靠.
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4.2 水热条件合成纳米晶
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第五节
水热与溶剂热基本反应类型
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5.1 反应的基本类型
水热与溶剂热反应的基本类型总结如下: (1)合成反应 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.例如: Nd2O3+H3PO4 NdP5O14 CaO.nAl2O3+H3PO4 Ca5(PO4)3OH+AlPO4
水热与溶剂热合成
主讲人:谭毅
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水热与溶剂热合成
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 水热法和溶剂热法 水热与溶剂热条件下介质的性质 化合物在水热溶液中的溶解度 水热合成中材料的形成机理 水热与溶剂热的基本反应类型 水热与溶剂热合成技术
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第一节
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(2)热处理反应 利用水热与溶剂热条件处理一般 晶体而得到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:长石 高岭石;橄榄石 蛇纹石;NaA沸石 NaS 沸石. (4)离子交换反应 沸石阳离子交换;硬水的软化, 长石的离子交换;高岭石,白云母,温石棉的氢 氧根离子交换为氟离子.
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参考书目
《水热结晶学》施尔畏,陈之战等主编 《无机合成与制备》徐如人,庞文琴主 编 《无机合成化学》徐如人主编 《无机合成化学》张可立,孙聚堂等主 编 《晶体生长》电子书,张可从等主编
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(9)氧化反应 金属和高温高压的纯水,水溶液, 有机溶剂得到新的氧化物,配合物,金属有机化 合物的反应,超临界有机物种的全氧化反应.例 如: Cr+H2O → Cr2O3+H2 Zr+H2O → ZrO2+H2 Me+nL → MeLn(Me=金属离子,L=有机配体) (10)沉淀反应 水热与溶剂热条件下生成沉淀得 到新化合物的反应.例如: KF+MnCl2 → KMnF3 KF+CoCl2 → KCoF3
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6.2 反应釜的分类
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6.3 水热与溶剂热合成程序
(1)选择反应物料; (2)确定合成物料的配方; (3)配料序摸索,混料搅拌; (4)装釜,封釜; (5)确定反应温度,时间,状态(静止或动态晶化) (6)取釜,冷却(空气冷,水冷); (7)开釜取样; (8)过滤,干燥; (9)光学显微观察晶貌与粒度分布; (10)粉末X射线衍射(XRD)物相分析.
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2.3 水热反应具有的三个特征
1. 使得重要离子间的反应加速. 2. 使得水解反应加剧. 3. 使得氧化还原电势发生明显变化.
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2.4 溶剂热反应中溶剂的作用
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2.5 选择溶பைடு நூலகம்的原则
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第三节
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(5)单晶培育 在高温高压水热和溶剂热条件下, 从籽晶培养大晶体.例如SiO2单晶的生长,反应条 件为0.5mol/L-NaOH,温度梯度410-300℃,压力 120MPa,生长速率1-2mm/d;若在反应介质 0.25mol/L-Na2CO3中,则温度梯度为400-370℃, 装满度为70%,生长速率1-2.5mm/d. (6)脱水反应 在一定温度一定压力下物质脱水结 晶的反应.例如: Mg(OH)2+SiO2 温石棉
化合物在水热溶液中的溶解度
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3.1 矿化剂
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第四节 水热合成中材料的形成机理
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4.1 水热条件下晶体生长步骤
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水热法和溶剂热法
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1.1 水热法
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1.2 水热法的分类
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1.3 水热法的特点
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1.4 水热法的局限性
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1.5 溶剂热法
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1.6 溶剂热法的特点