水热合成原理

        水热法(hydrothermal method)，又名热液法，是指在密封压力容器中，以水(或其他溶剂)作为溶媒，在高温(大于 100 ℃)、高压(大于 01MPa)条件下，使前驱体(即原料)反应和结品，从而形成预期材料的方法。水热法生长晶体最早被应用于地质学领域用来模拟自然界成矿作用:之后被应用于基础研究制备所需材料;1905 年以后开始被用于合成功能材料的研究;采用水热法制备纳米材料则是近几年才发展起来的,在材料制备及应用研究领域，如单晶生长、粉体制备、薄膜和纤维制备、材料合成、材料处理等众多方面得到了广泛的应用和发展。

       水热法的必备装置是高压反应器--反应釜，如图2-1所示。整个容器是密闭的,通常以水(或有机溶剂)为反应介质，在设定的高温下，溶部分呈气相，在容器内产生设定的自生压力，合成反应就在此环境中进行。若以水为反应介质，则称为水热合成:若以有机溶剂为反应介质，则称为溶剂热合成。这样的反应器是环境相对友好、具有多样性及可控性的,如水热法制备纳米粉体的化学反应过程是在设定的高温高压下进行和完成的,而外加压式高压釜则通过管道输入高压流体产生设定高压，并不是高温介质自生的高压力。由于水热法提供了一个在常压条件下无法得到的特殊物理化学环境，使前驱体在反应系统中得到充分的溶解,形成原子或者分子生长基元,在满足结晶条件下最后成核结品，所以水热法制备的纳米晶品粒发育完整、粒度分布均匀、颗粒之间团聚少。即使是较为便宜的原料，也一样可以得到理想的符合化学计量组成的材料，而且颗粒度可以控制生产成本也低。另外，用水热法制备的陶瓷粉体在使用时无须烧结，这就可以解决在烧结过程中晶粒长大而且容易混入杂质等问题。需要注意的是，为使反应较快和较充分，通常水热法一般以氧化物或氢氧化物作为前驱体,它们在加热过程中的溶解度随温度升高还需在高压釜中加入各种矿化剂。

       水热法一般以氧化物或氢氧化物作为前驱体,它们在加热过程中的溶解度随温度升高还需在高压釜中加入各种矿化剂。而增加，最终导致溶液过饱和并逐步形成更稳定的氧化物新相。反应过程的驱动力是最后可溶的前驱体或中间产物与稳定氧化物之间的溶解度差。严格来说，水热技术中几种重要的纳米粉体制备方法或反应过程的原理并不完全相同，即并非都可用这种“溶解-过饱和.结晶”机理来解释,且反应过程中有关矿化剂的作用、中间产物和反应条件对产物的影响水热法不仅经济，而且在原料的选择上也十分多样，如锌源可以选用锌粉、硝酸锌、等问题尚不十分清楚。

      水热法不仅经济，而且在原料的选择上也十分多样，如锌源可以选用锌粉、硝酸锌、等问题尚不十分清楚。氯化锌、醋酸锌或者锌片等，所用的碱性环境也有多种碱性物质可选，如氢氧化钠、氨水或者其他可提供碱性环境的胺类(诸如六亚甲基四胺、乙二胺、乙醇胺等)。另外，为了更好地控制和引导纳米颗粒形貌的形成，也可添加一些表面活性剂(如甲基纤维素、柠檬酸钠等)。使用该方法合成得到的氧化锌颗粒的结构形貌特别丰富，同时产品的纯度很高，形貌、尺寸大小也易控制。当然，锌源和碱类的选择会对纳米颗粒产物的形貌产生一定的影响。

      水热法在高质量纳米陶瓷粉体制备领域极有应用前景，通过水热法可在不同温度、压力、溶媒和矿化剂条件下实现多种不同成分纳米级陶瓷粉体的制备。但总体来说，水热条件下的纳米粉体制备，包括粉末粒径及分布的有效控制、粉末的分散度和表面处理，以及纳米粉末形成的过程与机理、合成工艺条件等问题仍处于探索和发展阶段。同时，受水热过程物理化学变化的限制，目前制备的纳米粉体多是氧化物、含氧盐以及羟基化合物，所以深入研究水热法原理和工艺有重要意。                                                                                             水热合成注意事项与安全性

(1)水热合成反应釜是在设定的温度和压力条件下合成化学物质的反应器，由金属或者硬质材料制成，在安装和使用时需谨慎，以免对其他玻璃部件造成损坏。另外，每次使用后需清洗,以便再次使用。材料合成的实验温度一般为 100~400 ℃,压力为 4.9~98 MPa。釜内的压力是靠在反应釜内填充的一定量的溶液升温膨胀而产生和维持的，实验中采用的填充度为 50%~85%,介质是水,碱类物质可采用 NaOH、KOH、NaC1、NH4CI等,浓度为 0.5~1.5 mo1·L。通常采用胶体和盐溶液作为前驱体制备氧化物纳米晶颗粒, 以增加前驱体在釜内溶液中的溶解度。此外，可借助高压釜内底部与上部的温差使溶液迅速达到饱和与过饱和状态，或采取降温措施使晶核迅速形成，因此，控制温度梯度在釜内的分布是控制晶粒尺度的关键。

(2)水热合成反应釜内胆的材质要适用于不同介质的合成反应,应提前查清介质对反应釜内胆有无腐蚀，瞬间反应剧烈、产生大量气体或高温易燃易爆，以及超高压、超高温等对反应釜内胆产生严重腐蚀的反应须采用特殊的反应釜内胆。

(3)装配反应釜时，先把顶丝松开，用扳手拧紧釜体和釜盖，然后拧紧顶丝。确保釜体下垫片位置正确，然后放入聚四氟乙烯衬套或对位聚苯酚(PPL)衬套和上垫片，把釜盖旋钮拧紧。将反应物倒入聚四氟乙烯衬套或 PPL 衬套内，并保证加料系数小于 0.8。

(4)将水热合成反应釜置于加热器内，按照规定的升温速率升温至所需反应温度但注意反应温度必须低于规定的安全使用温度。

(5)拆开水热合成反应釜时也要先把顶丝松开，再拧开釜体和釜盖。

(6)水热合成反应釜每次使用后要及时清洗干净，尤其是釜体、釜盖的密封处要格外注意，以免锈蚀，并严防碰伤损坏。同时，应特别注意勿将水或其他液体流入加热炉内及接线盒内，防止加热器因短路而被烧坏。   

  产品展示

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