水热与溶剂热 1

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图 不同碱度下所得稀土氢氧化物纳米晶的 TEM照片:(a) Sc(OH)3纳米片(pH = 6-7),(b) Sc(OH)3纳米线(pH = 9-10),(c) Sc(OH)3纳米 棒(KOH, 5mol/L);(d) Gd(OH)3纳米线(pH = 7), (e) Gd(OH)3纳米棒(KOH, 5mol/L)
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S. H. Yu等以水和二乙基三胺(DETA)的混合溶剂为反 介质,Zn(NO3)2· 2O和NH2CSNH2分别为锌源和硫 6H 源,于180°C下反应12h成功地制备了ZnS纳米带。 显示,改变水和二乙基三胺的体积比,可以控制终产 的形貌:水/二乙基三胺为1:2.5时,产物为纳米带; 积比为1或4时,产物分别为纳米片组成的球形花或纳 球;当溶剂中二乙基三胺进一步增加时,将获得包覆 ZnS/DETA复合材料的ZnS纳米带。
图 产物的 SEM照片:(a, d) PbCl(OH), (b, e) PbBr(OH), (c, f) PbI(OH) Chem. Lett., 2004, 33(2), 194-195.
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利用水热、溶剂热技术也能合成一些其他形貌的低维 米材料。Y. Cheng等以PEG-400为表面活性剂,MoO NaOH、醋酸铅为原料,在160°C下反应20h,制备 枝状分形的PbMoO4纳米晶
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溶剂热法(Solvothermal Synthesis),将水热法
中的水换成有机溶剂或非水溶媒(例如:有机
胺、醇、氨、四氯化碳或苯等),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。
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并非所有晶体都适合在水热环境生长。判明适合采 用水热法的一般原则是: 结晶物质各组分的一致性溶解(在不同的温度压力 下不会发生过大的改变); 结晶物质足够高的溶解度(可溶);
图 所得稀土氢氧化物和相应的氧化物纳米管的SEM和 (HR)TEM照片: (j-l) Y(OH)3纳米管,(m) Y2O3纳米管
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M. S. Mo等通过Na2TeO3的原位歧化作用,在25%的 水体系中水热180°C下反应36h,可控地合成了单质 纳米管和纳米带。并根据TEM观察结果得出纳米管 由纳米带卷曲而成的结论。
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图 所得ZnS产物的SEM照片:(a, b)ZnS纳米带,V水/V 二乙基三胺=1:2.5;(c)ZnS纳米片,V水/V二乙基三胺=1:1;(c)ZnS 纳米球,V水/V二乙基三胺 = 4 Small, 2005, 1(3), 320-325.
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二、纳米管的水热、溶剂热合成
A. W. Xu等以Dy2O3粉末为原料,在160°C的高压釜 中反应48h,成功地制得了Dy(OH)3纳米管,并在 450°C下灼烧6h,使Dy(OH)3纳米管成功地转变成 Dy2O3纳米管。利用同样的方法,该课题组还成功地 获得其他稀土氢氧化物和相应的氧化物纳米管,包括 Tb(OH)3、Y(OH)3和Tb4O7、Y2O3纳米管。
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2.4水热与溶剂热合成存在的问题
无 法 观察 晶 体生 长 和材 料 合成 的 过程 , 不 直
观。
设 备 要求 高 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。
安 全 性差 , 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
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图 SnO2纳米棒:(a)SEM照 片,(b)TEM照片,(c)和(d) HRTEM照片,(e) NaOH/SnCl4(摩 尔比)= 30时所得产物的TEM照片, (f) NaOH/SnCl4(摩尔比)= 20时所得 产物的TEM照片 Adv. Mater., 2003, 15(12), 1022-1025.
为了探究乙二胺在低维纳米材料合成中的作 用,J. Yang等采用正丁胺为溶剂,从一个侧 面证明了形成稳定的螯合配离子并不是获得低 维纳米材料的唯一原因。
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一般地,在乙二胺体系中,乙二胺有两种方式与金 离子形成配合物,如图a和b所示。而正丁胺分子 只含有一个-NH2,不能与金属形成螯合物,只能与 属离子按c方式配位。实验结果显示,在正丁胺体系 中CdS、CdSe、ZnSe、PbSe等纳米棒都能被成功获 (见图)。实验还显示反应的温度在低维材料形成 中,也起着相当重要的作用。
图 可能的配位模式:a) 乙二胺的单齿模式;b) 乙二胺的双 齿模式;c) 正丁胺的单齿模式
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图 产物的TEM照片: (a)、(b)CdSe,(c)、 (d)ZnSe
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图 产物的TEM照片: (e)、(f)PbSe,(g)CdS纳米棒
Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41(24) 4697-4700.
水热法与溶剂热法
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一、纳米棒或线的水热、溶剂热合成
图 稀土氢氧化物纳米线的(HR)TEM照片:(a→c) La(OH)3
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图 稀土氢氧化物纳米线的(HR)TEM照片: (d→f) Pr(OH)3
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图 稀土氢氧化物纳米线的(HR)TEM照片:g) Eu(OH)3,h) Ho(OH)3 Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41(24), 4790-4793.
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Y. Xie等采用表面活性剂辅助的乙醇热路线成功地制 备了PbX(OH) (X=Cl, Br, I)微管。工艺过程如下:将 PbAc2· 2O、NaX(X=Cl, Br, I)、Triton X-100按摩 2H 比1:2:1依次加入含有乙醇的反应釜中,然后在180° 下分别反应72、48、12小时,即可获得产物。
生长基元在 界面上的结 晶或脱附
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生长基元与晶核的形成:环境相中由于物质的相
互作用,动态地形成不同结构形式的生长基元,
它们不停的运动,相互转化,随时产生或消灭。 当满足线度和几何构型要求时,晶核即生成。
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生长基元在界面上的结晶或脱附:在界面上吸附 的生长基元,经过一定距离的运动,可能在界面 某一适当位置结晶并长入晶相,使得晶相不断向
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
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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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
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。
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在水热条件下,水既作为溶剂又作为矿化剂,在 液态或气态还是传递压力的媒介,同时由于在高 压下绝大多数反应物均能部分溶解于水,从而促 使反应在液相或气相中进行。水热法近年来已广 泛应用于纳米材料的合成,与其它粉体制备方法 相比,水热合成纳米材料的纯度高、晶粒发育 好,避免了因高温煅烧或者球磨等后处理引起的 杂质和结构缺陷。
溶解度的温度系数有足够大的绝对值(溶解度随温 度变化明显);
中间产物通过改变温度较容易分解(降温时杂质少)。
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2.2反应机理
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
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2.2.1 反应机理- “均匀溶液饱和析出” 水热反应温度和 体系压力的升高
溶解度降低并 达到饱和
结晶
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2.2.2 反应机理- “溶解-结晶”
前驱物微粒溶解 成核结晶
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2.2.3 反应机理-“原位结晶’’”
前驱物脱去 羟基或脱水
原子原位重排 结晶态
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将水热条件下纳米晶粒的形成过程可分为三个阶段:
生长基元 与晶核 的形成
生长基元在 固-液生长界 面上的吸附 与运动
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在表面活性剂的辅助下还可以获得一些特殊的形貌 如F. Gao等采用十二硫醇辅助的溶剂热技术,以 CdCl2和硫脲为原料,乙二胺为溶剂于160°C下反 40h,成功地制备了多臂CdS纳米棒。
图 所得产物的TEM照片:(a)三臂,(b)包括二臂、三臂、 四臂等多臂和(c)SEM照片
Adv. Mater., 2002, 14(21), 1537-1540.Baidu Nhomakorabea
图 所得同心纳米电 缆的SEM和TEM照片 Adv. Mater., 2004, 16(18), 1636-1640.
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1. 2.
水热与溶剂热合成方法的发展 水热与溶剂热合成方法原理
3.
4.
水热与溶剂热合成工艺
水热与溶剂热合成方法应用实例
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1.1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
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C. H. Yan等用水热微乳液技术合成了SnO2纳米棒。其 艺过程为:称取1.44gSDS溶于10.2mL正己烷和3.0mL 己醇的混合溶剂中,接着加入2.0mL Sn(OH)62-溶液 (SnCl4(0.5M)/NaOH(5.0M) = 1:3(体积比))并超声数分 形成微乳液,将此微乳液转入高压釜200°C下反应1 成功获得了单晶SnO2纳米棒。研究显示,起始NaOH SnCl4的摩尔比对最终产物的形貌有较大影响
图 树枝状分形的PbMoO4的SEM(A, B)和TEM(C)照片 J. Phys. Chem. B 2005, 109, 794-798.
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S. H. Yu等进一步发展了水热合成技术,设计了一个新 颖的水热-碳化反应成功合成了Ag/C纳米同心电缆。 工艺如下:在搅拌条件下,先将5g定粉溶解在 40mL80°C二次蒸馏水中,再另取5mmolAgNO3溶解 10mL二次蒸馏水中,将上述两溶液混合在高压釜中, 在160°C下反应12h。
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但是水热法也有严重的局限性,最明显的一个 缺点就是,该法往往只适用于氧化物或少数对 水不敏感的硫化物的制备,而对其他一些对水 敏 感 的 化 合 物 如 III-V 族 半 导 体 , 新 型 磷 ( 或 砷)酸盐分子筛骨架结构材料的制备就不适用 了。正是在这种背景下,溶剂热技术就应运而 生。
1.2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。
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2.1水热与溶剂热合成方法的概念
水热法(Hydrothermal Synthesis),是指在特制的
Chem. Eur. J. 2005, 11, 2183-2195.
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在溶剂热合成制备低维纳米材料时,常用的 有机溶剂是乙二胺。因为乙二胺是一个二齿 配体,它能与金属离子形成稳定的螯合配离 子,在纳米材料的合成中除起溶剂作用外, 还起着控制产物形貌的模板剂作用,而螯合 配离子的形成被认为是获得低维纳米材料的 重要原因。 但上述观点并没有得到实验的证实。
环境相推移,或者脱附而重新回到环境相中。
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生长基元在固-液生长界面上的吸附与运动:在由于 对流、热力学无规则运动或者原子吸引力,生长基 元运动到固-液生长界面并被吸附,在界面上迁移运 动。
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2.3水热与溶剂热合成方法的适用范围
低温生长单晶 合成新材料、新结构和亚稳相
制备薄膜
制备超细(纳米)粉末
图 Te纳米管(带)的TEM照片:(a, e)Te纳米带,(bd)发生卷曲的Te纳米带 Adv. Mater., 2002, 14(22), 1658-1662.
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图 Te纳米管(带)的TEM照片: (f-g) Te纳米管,(h) Te 纳米带卷曲形成Te纳米管的过程
Adv. Mater., 2002, 14(22), 1658-1662.
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图 所得稀土氢氧化物和相应的氧化物纳米管的SEM和 (HR)TEM照片:(a, c) Dy(OH)3纳米管,(b, d) Dy2O3纳米 管,(e-h) Tb(OH)3纳米管,(i) Tb4O7纳米管 J. Am. Chem. Soc. 2003, 125, 1494-1495.
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Adv. Funct. Mater., 2003, 13(12), 955-960.
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