合成与制备

合成与制备1

材料合成：是指使原子、分子结合而构成材料的化学与物理过程。合成的研究既包括有关寻找新合成方法的科学问题，也包括合成材料的技术问题；既包括新材料的合成，也包括已有材料的新合成方法及其新形态（如纤维、薄膜）的合成。

材料制备：研究如何控制原子与分子，使之构成有用的材料，这一点是与合成相同的；但制备还包括在更为宏观的尺度上或以更大的规模控制材料的结构，使之具备所需的性能和使用效能，即包括材料的加工、处理、装配和制造。

简而言之，合成与制备就是将原子、分子聚合起来并最终转变为有用产品的一系列连续过程

中篇：无机材料分析表征

深入了解不同合成制备条件下材料的内部状态，获得材料样品的化学组成、晶体结构、显微结构和相组成等的信息。

分析手段:包括综合热分析、相图测定、元素分析、显微分析、X射线分析、能谱分析等。

材料的性能是指材料对电、磁、光、热、机械载荷等的反应；主要决定于材料的组成与结构。

性能检测用于判断材料宏观性能是否满足预期要求，可以用于制备材料配方设计和制备工艺改进

无机材料典型制备工艺-技术:

1.水热与溶剂热合成

2.溶胶-凝胶合成技术

3.化学气相沉积技术

4.低温固相合成技术

5.高温高压合成与制备技术

典型无机材料制备技术：1.微纳粉体材料制备技术 2.陶瓷材料制备工艺技术3.薄膜材料制备工艺技术4.陶瓷基复合材料制备工艺技术

水热与溶剂热合成：1.水热与溶剂热合成方法的发展 2.水热与溶剂热合成方法原理3.水热与溶剂热合成工艺4.水热与溶剂热合成工艺

溶剂热法优点：1.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；2.非水溶剂的采用使得溶剂热法可选择原料范围大大扩大；

3.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；

4.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，

5.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；

水热与溶剂热合成方法的概念：水热法：是指在特制的密闭反应器中，采用水溶液作为反应体系，通过对反应体系加热、加压，创造一个相对高温、高压的反应环境，使得通常难溶或不溶的物质溶解，并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。

溶剂热法：将水热法中的水换成有机溶剂或非水溶媒采用类似于水热法的原理，以制备在水溶液中无法长成，易氧化、易水解或对水敏感的材料，如III-V 族半导体化合物、氮化物、硫族化合物、新型磷（砷）酸盐分子筛三维骨架结构等。

水热生长体系中的晶粒形成可分为三种类型：1.“均匀溶液饱和析出”机制2.“溶解-结晶”机制3.“原位结晶”机制4.“均匀溶液饱和析出”机制。

水热与溶剂热合成方法的适用范围：1.制备超细（纳米）粉。2.制备薄膜。

3.合成新材料、新结构和亚稳相。

4.低温生长单晶。

1.2 水热与溶剂热合成工艺

水热与溶剂热反应的基本类型：1.合成反应： 2.热处理反应：3.转晶反应： 4.离子交换反应5.晶化反应6.沉淀反应7.氧化反应8.提取反应9.分解反应10.脱水反应11.水热热压反应12.反应烧结13.烧结反应14.水解反应

水热与溶剂热合成的一般工艺是：选择反应物和反应介质——确定物料配方——优化配料顺序——装釜、封釜——确定反应温度、压力、时间等实验条件——冷却、开釜——液、固分离——物相分析

前躯体的选择：1.可溶性金属盐溶液；2.固体粉末 3.胶体，4.胶体和固体粉末混合物；

水热与溶剂热合成的介质选择：（1）相似相容原理（2）溶剂化能和Born 方程式

相似相容原理:溶质分子若与溶剂分子的组成结构、物理性质及化学性质相近则其溶解度大。

形成离子溶液溶剂要求：1.介电常数大2.分子极性强

水热与溶剂热合成存在的问题 1.无法观察晶体生长和材料合成的过程，不直观。2.设备要求耐高温高压的钢材，耐腐蚀的内衬、技术难度大温压控制严格、成本高。3.安全性相对较差，加热时密闭反应釜中流体体积膨胀，能够产生极大的压强，存在极大的安全隐患。

第 2 讲溶胶-凝胶合成

2.1 溶胶-凝胶法的基本概念

溶胶（Sol）：是具有液体特征的胶体体系，分散的粒子是固体或者大分子，分散的粒子大小在1～100nm之间。无固定形状固相粒子自由运动凝胶（Gel）：是具有固体特征的胶体体系，被分散的物质形成连续的网状骨架，骨架空隙中充有液体或气体，凝胶中分散相的含量很低，一般在1％～3％之间。固定形状固相粒子按一定网架结构固定不能自由移动

溶胶-凝胶法：就是用含高化学活性组分的化合物作前驱体，在液相下将这些原料均匀混合，并进行水解、缩合化学反应，在溶液中形成稳定的透明溶胶体系，溶胶经陈化胶粒间缓慢聚合，形成三维空间网络结构的凝胶，凝胶网络间充满了失去流动性的溶剂，形成凝胶。凝胶经过干燥、烧结固化制备出分子乃至纳米亚结构的材料。

一、胶体稳定原理-DLVO理论

1、双电层与ζ电位

溶胶体系中，由于静电引力的存在会使溶液中的反离子向颗粒表面靠拢，并排斥同离子，固体表面电荷与溶液中反电荷形成了双电层结构。

被吸附的离子与固体表面结合牢固，固体和液体相对运动时，固体带动部分反离子一起滑动。

颗粒间的范德华力和双电层静电排斥能构成了粒子间总作用能

溶胶是固体或大分子颗粒分散于液相的胶体体系，具有很大的界面存在，界面原子的吉布斯自由能比内部原子高，粒子间便有相互聚结从而降低表面能的趋势。

增加体系中粒子间结合所须克服的能垒可使之在动力学上稳定。增加粒子间能垒通常有三个基本途径：(1)使胶粒带表面电荷；(2)利用空间位阻效应；