水热溶剂热合成 ppt课件
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水热与溶剂热合成简介(ppt 42页)
③组成的微小变化可引起诱导期的显著变化。 ④成核反应的发生与体系的早期状态有关。
内蒙古大学鄂尔多斯学院化学化工 2020/1/22
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第四章 水热与溶剂热合成
4.3 水热与溶剂体系的成核与晶体生长
4.3.2 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！ 假定有一个适合特定物种生长的良好条件，那么在该物种籽晶上的
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第四章 水热与溶剂热合成
4.3.2 非自发成核体系晶化动力学
(4)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所影响，从而减低了这些面上的生 长速率。
第四章 水热与溶剂热合成
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第四章 水热与溶剂热合成
4.1 水热与溶剂热合成基础
4.1.1 合成化学与技术 水热与溶剂热合成化学与溶液化学不同，它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。
水热合成化学侧重于研究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。
水热与溶剂热合成与固相合成研究的差别在于“反应性”不同。这 种“反应性”不同主要反映在反应机理上，固相反应的机理主要 以界面扩散为其特点，而水热与溶剂热反应主要以液相反应为其 特点。通过水热与溶剂热反应可以制得固相反应无法制得的物相 或物种，或者使反应在相对温和的溶剂热条件下进行。
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第四章 水热与溶剂热合成
4.3 水热与溶剂体系的成核与晶体生长
4.3.2 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！ 假定有一个适合特定物种生长的良好条件，那么在该物种籽晶上的
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第四章 水热与溶剂热合成
4.3.2 非自发成核体系晶化动力学
(4)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所影响，从而减低了这些面上的生 长速率。
第四章 水热与溶剂热合成
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第四章 水热与溶剂热合成
4.1 水热与溶剂热合成基础
4.1.1 合成化学与技术 水热与溶剂热合成化学与溶液化学不同，它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。
水热合成化学侧重于研究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。
水热与溶剂热合成与固相合成研究的差别在于“反应性”不同。这 种“反应性”不同主要反映在反应机理上，固相反应的机理主要 以界面扩散为其特点，而水热与溶剂热反应主要以液相反应为其 特点。通过水热与溶剂热反应可以制得固相反应无法制得的物相 或物种，或者使反应在相对温和的溶剂热条件下进行。
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
第5章 水热与溶剂热合成
阳极氧化铝-AAO模板制备
将高纯铝片线切割成30mm× 20 mm 片，于500℃ 退火4 h以消除残余内应力．经过无水乙醇除油、氢 氧化钠除氧化膜和蒸馏水清洗干净后，在无水乙醇 和HC1O4的混合液(体积比4：1)中进行电化学抛 光．然后以30 g／L H PO4为电解液，常温(23℃)下， 120 V直流电压恒压阳极氧化1 h．将一次氧化过的 铝片在1．8％H2CrO4和6.0％H PO4混合溶液(体积比 1：1)中浸泡16 h，去除表面第一次氧化形成的氧化 膜．除膜后的铝片进行第二次阳极氧化，氧化条件 与第一次的相同，只是氧化时间延长至2 h．最后在 30℃ 的5.0％H3PO4溶液中扩孔10 min，从而得到 AAO模板。
1.3 反应的基本类型
(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
(8)提取反应 在水热与溶剂热条件下从化合物 (或矿物)中提取晶届的反应。例如：钾矿石中钾的水 热提取，重灰石中钨的水热提取。
1.3 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 机溶剂得到新氧化物、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：
(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-等挥发性物质的陶 瓷材料。 (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：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。
第五章水热与溶剂热合成
水热与溶剂热合成是无机合成化学的一个 重要分支。
水热合成研究最初从模拟地矿生成开始到 沸石分子筛和其它晶体材料的合成已经历了 一百多年的历史。
第五章 水热和溶剂热合成
5.1 水热与溶剂热合成基础 5.2 水热与溶剂热体系的成核与晶体生长 5.3 功能材料的水热与溶剂热合成 5.4 水热条件下的海底：生命的摇篮？ 5.5 超临界水—新型的反应体系 5.6 水热与溶剂热合成技术
§ 5.1 水热与溶剂热合成基础
5.1.1 基本概念
水热法 (Hydrothermal Synthesis) ➢ 在特制的密闭反应器（高压釜）中， ➢ 采用水溶液作为反应体系， ➢ 通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气
③ 能够生成低熔点化合物、高蒸气压且不能在 融体中生成的物质、高温分解相。
④ 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晶体的粒度。
⑤ 有利于低价态、中间价态与特殊价态化台物 的生成，并能均匀地进行掺杂。
5.1.3 反应的基本类型（15类）
(1) 合成反应
通过数种组分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：
D、密度随温度升高而降低，压力升高而增加
1000℃ ，15～20GPa，d=1.7~1.9g/cm3 ,若完全离解 ，相当于熔融盐。
反应压强与反应容器中原始溶剂的填充度有 关。反应混合物占密闭反应釜空间的体积分 数称为填充度。
➢ 反应温度在 500 ℃以下，
➢ 通常填充度为 50%~80% ,
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水热与溶剂热合成是无机合成化学的一个 重要分支。
§ 5.1 水热与溶剂热合成基础
5.1.1 基本概念
水热法 (Hydrothermal Synthesis) ➢ 在特制的密闭反应器（高压釜）中， ➢ 采用水溶液作为反应体系， ➢ 通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气
③ 能够生成低熔点化合物、高蒸气压且不能在 融体中生成的物质、高温分解相。
④ 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晶体的粒度。
⑤ 有利于低价态、中间价态与特殊价态化台物 的生成，并能均匀地进行掺杂。
5.1.3 反应的基本类型（15类）
(1) 合成反应
通过数种组分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：
D、密度随温度升高而降低，压力升高而增加
1000℃ ，15～20GPa，d=1.7~1.9g/cm3 ,若完全离解 ，相当于熔融盐。
反应压强与反应容器中原始溶剂的填充度有 关。反应混合物占密闭反应釜空间的体积分 数称为填充度。
➢ 反应温度在 500 ℃以下，
➢ 通常填充度为 50%~80% ,
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水热与溶剂热合成是无机合成化学的一个 重要分支。
第三章-水热法PPT课件
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➢ 另外，物相的形成，粒径的大小、过溶剂热合成出的纳米粉末，能 够有效的避免表面羟基的存在，使得产物能稳 定存在。
➢ 作为反应物的盐的结晶水和反应生成的水，相 对于大大过量的有机溶剂，水的量小得可以忽 略。
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第二章 水热与溶剂热合成
主要内容
• 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 • 2.4 水热与溶剂热合成方法应用实例
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水热合成方法的发展
➢ 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
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溶剂热合成方法的发展
➢ 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。
➢ 到目前为止，溶剂热合成法已得到很快的发 展，并在纳米材料制备中具有越来越重要的作 用。在溶剂热条件下，溶剂的物理化学性质如 密度、介电常数、粘度、分散作用等相互影 响，与通常条件下相差很大。
➢ 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。
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水热法一直主要用于地球科学研究，二战以后 才逐渐用于单晶生长等材料的制备领域，此后，随 着材料科学技术的发展，水热法在制备超细颗粒， 无机薄膜，微孔材料等方面都得到了广泛应用。
第四章水热与溶剂热合成
水热合成热力学模型
热力学模型提供了一个计算每个体系的平 衡浓度的工具，该平衡浓度是温度、压 力、溶液的pH值以及投料试剂浓度的函 数。
一般而言，一个数据组的一致性可以通过 检验G、H、S、Cp、V等实验数据值之间 的关系与热动力学的一般关系的一致性 得到验证。
例：BaTiO3的水热合成
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
明显地降低反应的温度和压力 能够以单一反应步骤完成 很好地控制产物的理想配比以及结构形
态 制备纯相陶瓷（氧化物）材料 可以批量化生产
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。
4、2 有机溶剂的性质标度
有机溶剂为反应提供场所，使反应物溶解 或部分溶解，生成溶剂化合物，溶剂化 过程影响化学反应速率，在合成体系中 改变反应物活性物种在液相中的浓度、 解离程度、聚合态分布，从而改变反应 过程。
根据宏观和微观分子常 数以及经验溶剂参数
相对分子量 密度 沸点 分子体积 蒸发热 介电常数 偶极矩
由于晶化反应速率整体上是增加的，在各面上的不同增长速率趋 向于消失。
缺陷表面生长比无缺陷的光滑平面快。 在特定表面上无缺陷生长的最大速率随着比表面积的增加而降低，
对在适当的时间内无缺陷单晶生长大小提出限制。
材料合成与制备水热合成ppt课件
第二章
水热与溶剂热合成
1
目
录
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
水热与溶剂热合成工艺
2.3
水热与溶剂热合成方法应用实例
2.4
2
3
水热合成方法的发展
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
13
水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型：
“均匀溶液饱和析出”机 制
“溶解-结晶” 机制
“原位结晶”机 制
14
“均匀溶液饱和析出”机制
由于水热反应温度和体系压力的升高，溶质 在溶液中溶解度降低并达到饱和，以某种化合物 结晶态形式从溶液中析出。当采用金属盐溶液为 前驱物，随着水热反应温度和体系压力的增大， 溶质（金属阳离子的水合物）通过水解和缩聚反 应，生成相应的配位聚集体（可以是单聚体，也 可以是多聚体）当其浓度达到过饱和时就开始析 出晶核，最终长大成晶粒。
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。
到目前为止，溶剂热合成法已得到很快的发展，并在纳米
材料制备中具有越来越重要的作用。
9
溶剂热法优点
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范围大大扩大； 由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们可以达到
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
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。
水热与溶剂热合成
1
目
录
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
水热与溶剂热合成工艺
2.3
水热与溶剂热合成方法应用实例
2.4
2
3
水热合成方法的发展
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
13
水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型：
“均匀溶液饱和析出”机 制
“溶解-结晶” 机制
“原位结晶”机 制
14
“均匀溶液饱和析出”机制
由于水热反应温度和体系压力的升高，溶质 在溶液中溶解度降低并达到饱和，以某种化合物 结晶态形式从溶液中析出。当采用金属盐溶液为 前驱物，随着水热反应温度和体系压力的增大， 溶质（金属阳离子的水合物）通过水解和缩聚反 应，生成相应的配位聚集体（可以是单聚体，也 可以是多聚体）当其浓度达到过饱和时就开始析 出晶核，最终长大成晶粒。
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。
到目前为止，溶剂热合成法已得到很快的发展，并在纳米
材料制备中具有越来越重要的作用。
9
溶剂热法优点
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范围大大扩大； 由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，它们可以达到
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
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。
第三章水热法.ppt
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与水热法相比，溶剂热法具有以下优点：
✓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；
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➢另外，物相的形成，粒径的大小、形态也能够 有效控制，而且产物的分散性好。
➢更重要的是通过溶剂热合成出的纳米粉末，能 够有效的避免表面羟基的存在，使得产物能稳定 存在。
➢作为反应物的盐的结晶水和反应生成的水，相 对于大大过量的有机溶剂，水的量小得可以忽略。
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• 复 合 氧 化 物 ： BaFe12O19 、 BaZrO3 、 CaSiO3 、 PbTiO3、LaFeO3、LaCrO3、NaZrP3O12等；
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• 羟基化合物、羟基金属粉：Ca10(PO4)6(OH)2、羟 基铁、羟基镍；
• 复合材料粉体：ZrO2-C、ZrO2-CaSiO3、TiO2-C、 TiO2-Al2O3等。
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超临界流体拥有一般溶剂所不具备的很多重要 特性。SCF的密度、溶剂化能力、粘度、介电常 数、扩散系数等物理化学性质随温度和压力的变 化十分敏感，即在不改变化学组成的情况下，其 性质可由压力来连续调节。能被用作SCF溶剂的 物质很多，如二氧化碳、水、一氧化氮、乙烷、 庚烷、氨等。超临界流体相图，如图2.2。
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➢相应的，它不但使反应物（通常是固体）的溶 解、分散过程及化学反应活性大大增强，使得 反应能够在较低的温度下发生，而且由于体系 化学环境的特殊性，可能形成以前在常规条件 下无法得到的亚稳相。
第2章 水热与溶剂热合成
3.2 人工水晶的合成
石英的化学成分是SiO2，属于六方晶系，空间群P24-P3121， 其中α-石英具有压电性质，即在外力作用下发生形变时， 它的某些表面会出现电荷积累。
3.2 人工水晶的合成
压电效应是由于晶体在外力作用下发生形变，电 荷重心产生相对位移，从而使晶体总电矩发生改 变造成的。
3.2 人工水晶的合成 高温高压下，石英的生长过程为：培养基石 英的溶解，以及溶解的SiO2向籽晶上生长两个过 程。 石英在NaOH溶液中溶解反应的产物主要是 Na2Si2O5、Na2Si3O7，以及它们的电离和水解产 物。Na2Si2O5、Na2Si3O7经电离和水解，在溶液 中产生大量的NaSi2O5-、NaSi3O7-。
化学反应：离子反应、自由基反应
任何反应均可具有其间的某一性质，有机反应中，具有极 性键的有机化合物，其反应往往具有某种程度的离子性。 水是离子反应的主要介质，在密闭加压条件下加热到沸 点以上时，离子反应的速率自然增大，速率常数k随温度 的增加呈指数函数。 水热反应条件下，在常温下不溶于水的矿物或其他有机 物的反应，也能诱发离子反应或促进反应。 水热反应加剧的主要原因是水的电离常数随水热反应温 度上升而增加。
与高温固态反应相比，水热合成氧化物粉 末陶瓷具有以下优势：
①明显地降低反应温度和压力(水热反应通常在 100～200℃下进行)； ②能够以单一反应步骤完成(不需研磨和焙烧步骤)； ③很好地控制产物的理想配比及结构形态； ④制备纯相陶瓷(氧化物)材料； ⑤可以大批量生产。
第4节 水热条件下的海底:生命的摇篮
水热与溶剂热合成与固相合成研究的差别 在于“反应性”不同。这种“反应性”不同主 要反映在反应机理上，固相反应的机理主要以 界面扩散为其特点，而水热与溶剂热反应主要 以液相反应为其特点。 通过水热与溶剂热反应可以制得固相反应无 法制得的物相或物种，或者使反应在相对温和 的溶剂热条件下进行。
《水热与溶剂热合成》课件
在化学中的应用
01
02
03
合成有机分子
水热与溶剂热合成可用于 合成有机分子，如药物分 子、染料分子等。
合成无机纳米材料
利用水热与溶剂热合成技 术，可以制备各种无机纳 米材料，如金属纳米粒子 、氧化物纳米粒子等。
合成功能性配合物
通过水热与溶剂热合成， 可以制备具有特殊功能的 配合物，如荧光配合物、 电致变色配合物等。
。
反应机制与动力学研究
02
深入了解水热与溶剂热合成的反应机制和动力学过程，为优化
反应条件提供理论支持。
新型合成方法的开发
03
结合其他合成方法，如微波合成、超声合成等，开发出更高效
、环保的水热与溶剂热合成方法。
新的应用领域探索
新材料的合成
利用水热与溶剂热合成方法探索合成具有特殊性能和功能的新材 料。
溶剂热合成是指在密封的压力容器中，以有机溶剂为反应介 质，在一定的温度和压力条件下进行的化学反应过程。
详细描述
溶剂热合成利用高温高压的有机溶剂作为反应介质，使物质 在高温高压下发生化学反应，从而合成所需的物质。溶剂热 合成具有反应温度高、压力大、反应条件温和、产物纯净等 优点。
水热与溶剂热合成的基本原理
水热合成的定义
总结词
水热合成是指在密封的压力容器中，以水为溶剂，在一定的温度和压力条件下 进行的化学反应过程。
详细描述
水热合成利用高温高压的水环境作为反应介质，使物质在高温高压下发生化学 反应，从而合成所需的物质。水热合成具有反应温度高、压力大、反应条件温 和、产物纯净等优点。
溶剂热合成的定义
总结词
04
对未来学习的建议
建议1
深入学习相关理论，掌握基本 概念和原理
水热合成PPT课件
2021
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矿化剂(Mineralizer)
矿化剂通常是一类在反应介质中的溶解度随温度 的升高而持续增大的化合物，如一些低熔点的盐、 酸或碱。
矿化剂可以提高溶质在水热溶液里的溶解度，可 改变其溶解度温度系数;
温度系数符号改变除了与所加入的矿化剂种类有 关，还与溶液里矿化剂的浓度有关。
2021
沸石分子筛
另章讨论
其它晶体材料
1982午4月： 日本横滨，第一届国际水热反应专题讨论会
研究重点：新化合物的合成．新合成方法的开 拓和新合成理论的建立。
2021
4
与溶液化学的差别：
合成反应在高温和高压下进行，侧重于研究 水热合成条件下物质的反应性、合成规律以 及合成产物的结构与性质。
与固相合成研究的差别： “反应性”不同
2021
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成核与晶体生长
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；
水热与溶剂热生长的晶体不完全是离子的 （如BaSO4或AgCl等），它通过部分共价 键的三维缩聚作用而形成。
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成核与晶体生长
可生长核即晶体生长自发进行的核的出现，是溶液 或混合溶液波动的结果。
例如：制备含有OH-、F-、S2-等挥发性物质的 陶瓷材料。
也可同时进行化学反应和烧结反应。 如：氧化铬、单斜氧化锗、氧化铝-氧化铬
复合体的制备。
(10) 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。
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。
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按反应温度进行分类，
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水热与溶剂热 ppt课件
ppt课件
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(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。
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（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。
反应的基本类型
(6) 脱水反应
400～370 ℃
Mg(OH)2 + SiO2
温石棉
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分解反应
FeTiO3
FeO ＋ TiO2
ZrSiO4 ＋ NaOH
ZrO2 ＋ Na2SiO3
FeTiO3 ＋ K2O
K2O·nTiO2(n=4,6) + FeO
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在诱导期每单位时间内可生长核的数目 相对于时间作图可得一条上升的曲线。然而， 成核和晶体生长彼此竞争需求的反应物，因 此伴随晶体生长的增加，可预料到新核形成 所需的反应物占总反应物的比例越来越少。 成核反应速率通过极大值后开始下降。
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非自发成核体系晶化动力学
假定有一个适合特定物种生长的良好条 件，那么在该物种籽晶上的沉积生长是最有 效的。晶体生长通常具有如下特点：
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§ 4.1 水热与溶剂热合成基础
水热与溶剂热合成的特点
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。
液相利于生长缺陷少、取向好、完美的晶 体，产物结晶度高，易于控制产物晶体的 粒度。
利于低价态、中间价态与特殊价态化合物
水热溶剂热合成PPT课件
►制备一些重要的装饰材料
如彩色水晶
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
水的 性质 也将 变化
使水解反 应加剧
使其氧化还原电 势发生明显变化
蒸气压变高 离子积变高 密度变低 粘度变低 表面张力变低
一般地 化学反应
离子反应
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
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
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
(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；
(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所影响，从而减低了这 些面上的生长速率
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
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。
经过滤、水洗、干燥
白色A型沸石原粉，晶粒尺寸1-2m
►水热晶化
Na2O Al2O3
SiO2 水
►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
高校无机化学(高教版)水热和溶剂热合成课件
• 由于水（溶剂）热法涉及的化合物在水中的溶解度都很小，因 而常常在体系中引入矿化剂（Mineralizer）。
• 矿化剂通常是一类在反应介质中的溶解度随温度的升高而持续 增大的化合物，如一些低熔点的盐、酸或碱。
• 加入矿化剂不仅可以提高溶质在水（溶剂）热溶液里的溶解度， 而且可改变其溶解度温度系数。
高温高压水的作用
• 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； • ⑦有时与容器反应； • ⑧无毒。
二、各类化合物在介质中的溶 解度
• 其溶解度可用一定的温度、压力下化合物在溶液中平衡度来表 示。
第一节 引言
水热和溶剂热合成
第二节 基本理论 第三节 基本应用 第四节 技术手段
第一节 引言
• 1982年以来，每年召开一次国际水热反应研讨 会。——成为新的学科 • 水（溶剂）热合成化学与溶液化学不同，它是研 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。水热合成化学侧重于研究水 热合成条件下物质的反应性、合成规律以及合成 产物的结构与性质。
• 水热法是在特制的密闭反应容器（高压釜）采 用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热， 创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶 或不溶的物质溶解并且重结晶！ • 水热法可分为水热晶体生长、水热合成、水热 反应、水热处理、水热烧结等。 • 水热法又可分为“普通水热法”和“特殊水热 法”． • 所谓“特殊水热法”指在水热条件反应体系上 再添加其他作用力场，如直流电场、磁场（采 用非供电材料制作的高压釜）、微波场等。
• 矿化剂通常是一类在反应介质中的溶解度随温度的升高而持续 增大的化合物，如一些低熔点的盐、酸或碱。
• 加入矿化剂不仅可以提高溶质在水（溶剂）热溶液里的溶解度， 而且可改变其溶解度温度系数。
高温高压水的作用
• 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； • ⑦有时与容器反应； • ⑧无毒。
二、各类化合物在介质中的溶 解度
• 其溶解度可用一定的温度、压力下化合物在溶液中平衡度来表 示。
第一节 引言
水热和溶剂热合成
第二节 基本理论 第三节 基本应用 第四节 技术手段
第一节 引言
• 1982年以来，每年召开一次国际水热反应研讨 会。——成为新的学科 • 水（溶剂）热合成化学与溶液化学不同，它是研 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。水热合成化学侧重于研究水 热合成条件下物质的反应性、合成规律以及合成 产物的结构与性质。
• 水热法是在特制的密闭反应容器（高压釜）采 用水溶液作为反应介质，通过对反应容器加热， 创造一个高温、高压反应环境，使得通常难溶 或不溶的物质溶解并且重结晶！ • 水热法可分为水热晶体生长、水热合成、水热 反应、水热处理、水热烧结等。 • 水热法又可分为“普通水热法”和“特殊水热 法”． • 所谓“特殊水热法”指在水热条件反应体系上 再添加其他作用力场，如直流电场、磁场（采 用非供电材料制作的高压釜）、微波场等。
水热与溶剂热合成.
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超临界水分子的扩散系数比普通水高10~100倍， 使它的运动速度和分离过程的传质速率大幅度提 高，因而有较好的流动性、渗透性和传递性能， 利于传质和热交换。 总体来看，水在超临界区的行为更像一个中 等极性的有机溶剂，许多在常温常压下不溶的有 机物和气体在超临界水中都有较好的溶解度，有 的可增加几个数量级，像氧气等甚至可与超临界 水无限混溶，这就为超临界水的应用开辟了广阔 的道路。
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水在超临界点时的密度只有 0.32g/cm3 ，而且 在较高的温度下，尤其是在超临界区域内，当压 强发生微小变化时水的密度就可以大幅度地改 变。例如在 400℃ 时，当压强在 0.22 ～ 2.5KPa 内变 化时，水的密度可由0.1g/cm3变到0.84g/cm3，因此 可通过调节压强来控制超临界水的密度。 SCW 的溶解能力主要取决于超临界水的密度，密 度增加，溶解能力增强密度减小，溶解能力减 弱，甚至丧失对溶质的溶解能力。
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相应的，它不但使反应物（通常是固体）的溶
解、分散过程及化学反应活性大大增强，使得 反应能够在较低的温度下发生，而且由于体系 化学环境的特殊性，可能形成以前在常规条件 下无法得到的亚稳相。
该过程相对简单、易于控制，并且在密闭体系
中可以有效地防止有毒物质的挥发和制备对空 气敏感的前驱体和目标产物；
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由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，
它们可以达到比水热合成更高的气压，从而 有利于产物的结晶；
由于较低的反应温度，反应物中结构单元可
以保留到产物中，且不受破坏，同时，有机 溶剂官能团和反应物或产物作用，生成某些 新型在催化和储能方面有潜在应用的材料；
超临界水分子的扩散系数比普通水高10~100倍， 使它的运动速度和分离过程的传质速率大幅度提 高，因而有较好的流动性、渗透性和传递性能， 利于传质和热交换。 总体来看，水在超临界区的行为更像一个中 等极性的有机溶剂，许多在常温常压下不溶的有 机物和气体在超临界水中都有较好的溶解度，有 的可增加几个数量级，像氧气等甚至可与超临界 水无限混溶，这就为超临界水的应用开辟了广阔 的道路。
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水在超临界点时的密度只有 0.32g/cm3 ，而且 在较高的温度下，尤其是在超临界区域内，当压 强发生微小变化时水的密度就可以大幅度地改 变。例如在 400℃ 时，当压强在 0.22 ～ 2.5KPa 内变 化时，水的密度可由0.1g/cm3变到0.84g/cm3，因此 可通过调节压强来控制超临界水的密度。 SCW 的溶解能力主要取决于超临界水的密度，密 度增加，溶解能力增强密度减小，溶解能力减 弱，甚至丧失对溶质的溶解能力。
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相应的，它不但使反应物（通常是固体）的溶
解、分散过程及化学反应活性大大增强，使得 反应能够在较低的温度下发生，而且由于体系 化学环境的特殊性，可能形成以前在常规条件 下无法得到的亚稳相。
该过程相对简单、易于控制，并且在密闭体系
中可以有效地防止有毒物质的挥发和制备对空 气敏感的前驱体和目标产物；
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由于有机溶剂的低沸点，在同样的条件下，
它们可以达到比水热合成更高的气压，从而 有利于产物的结晶；
由于较低的反应温度，反应物中结构单元可
以保留到产物中，且不受破坏，同时，有机 溶剂官能团和反应物或产物作用，生成某些 新型在催化和储能方面有潜在应用的材料；
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(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 沸石阳离子交换；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-。
(12)水解反应
例如 醇盐水解等
(13)烧结反应 水热、溶剂热条件下实现烧结的反应 例如 含OH-、F-、S2-等挥发性物质的陶
瓷材料的制备
(14)反应烧结 化学反应和烧结反应同时进行
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 水热热压条件下，材料固
化与复合材料的生成反应
►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。
水热合成化学侧重于研究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。
例如
Cr + H2O Cr2O3 + H2 Zr + H2O ZrO2 + H2 Me + n L MeLn (L = 有机配体)
(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
CeO2·xH2O CeO2
ZrO2·H2O M-ZrO2 + T-ZrO2 硅铝酸盐凝胶 沸石
水热、溶剂热合成
从模拟地矿生成开始 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。
第一届水热反应和溶剂 热反应(Hydrothermal reactions and
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
按温度
水 分类 热 合 成
亚 多数沸石分子筛晶体的水热即为
临 典型的亚临界合成反应。反应温
界 合 成
度范围是在100-240℃之间，适于 工业或实验室操作。
超 临 界 合 成
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 机理为其 特点，而固相反应主要以界面扩散为特点。
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、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， 或使反应在相对温和的水热、溶剂热条件 下进行。
(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 FeTiO3 FeO + TiO2 ZrSiO4 + NaOH Na2SiO3 + ZrO2 FeTiO3 + K2O FeO + K2O·nTiO2 (n = 4, 6)
(8)提取反应 从化合物(或矿物)中提取金属的反应
二、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 钾矿石中钾的水热提取 重灰石中钨的水热提取
(9)沉淀反应
例如
生成沉淀得到新化合物的反应
KF + MnCl2 KMnF3 KF + CoCl2 KCoF3
(10)氧化反应
金属和高温高压的纯水、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
高温高压水热合成的应用实例
►制备无机物单晶 有的单晶是无法用其它方法得到
如
CrO2的水热合成
►复杂无机物的合成
如 非线性光学材料NaZr2P3O12和AlPO4等；声光
水热、溶剂热合成化学的特点
③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。
④水热与溶剂热的低温、等压、溶液条件， 有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体， 且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体 的粒度。
⑤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
①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。 ②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。
solvothermal reactions) 国际会议
1982年4月在日本横滨
第八届水热反应和溶剂 热反应国际会议
2006年8月在日本森岱 (Sendai)
• 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。
§3.1 水热、溶剂热合成基础
一、水热、溶剂热合成的特点
(5)单晶培育 高温高压水热、溶剂热条件下，
从籽晶培养大单晶
例如SiO2单晶的生长，反应条件为0.5mol/LNaOH、 温度梯度410~300℃、压力120MPa、生长速率 1~2mm/d；若在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。