水熱法

“水熱”一詞大約出現(xiàn)在150年前，原本用于地質(zhì)學(xué)中描述地殼中的水在溫度和壓力聯(lián)合作用下的自然過程，以后發(fā)展到沸石分子篩和其他晶體材料的合成，因此越來越多的化學(xué)過程也廣泛使用這一詞匯。水熱與溶劑熱合成是無機合成化學(xué)的一個重要分支。水熱合成研究從最初模擬地礦生成開始到合成沸石分子篩和其他晶體材料已經(jīng)有一百多年的歷史。直到20世紀(jì)70年代，水熱法才被認(rèn)識到是一種制備粉體的先進(jìn)方法。

無機晶體材料的溶劑熱合成研究是近20年發(fā)展起來的，主要指在非水有機溶劑熱條件下的合成，用于區(qū)別水熱合成。水熱與溶劑熱合成的研究工作近百年來經(jīng)久不衰并逐步演化出新的研究課題，如水熱條件下的生命起源問題以及與環(huán)境友好的超臨界氧化過程。在基礎(chǔ)理論研究方面，從整個領(lǐng)域來看，其研究重點仍然是新化合物的合成，新合成方法的開拓和新合成理論的建立。人們開始注意到水熱與溶劑熱非平衡條件下的機理問題以及對高溫高壓條件下合成反應(yīng)機理進(jìn)行研究。由于水熱與溶劑熱合成化學(xué)在技術(shù)材料領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是高溫高壓水熱與溶劑熱合成化學(xué)的重要性，世界各國都越來越重視對這一領(lǐng)域的研究。

水熱法按反應(yīng)溫度分類可分為低溫水熱法，即在100℃以下進(jìn)行的水熱反應(yīng)；中溫水熱法，即在100～300℃下進(jìn)行的水熱反應(yīng)；高溫高壓水熱法，即在300"C以上，0.3GPa下進(jìn)行的水熱反應(yīng)。

水熱法按設(shè)備的差異分類，可分為“普通水熱法”和“特殊水熱法”。所謂“特殊水熱法”是指在水熱條件反應(yīng)體系上再添加其他作用力場，如直流電場、磁場(采用非鐵電材料制作的高壓釜)和微波場等。

根據(jù)研究對象和目的的不同，水熱法可分為水熱晶體生長、水熱合成、水熱反應(yīng)、水熱處理、水熱燒結(jié)等，典型的反應(yīng)有如下類型：水熱氧化、水熱沉淀、水熱合成、水熱還原、水熱分解、水熱晶化。2100433B

對于任一未知的合成化學(xué)反應(yīng)，首先必須考慮的問題是要通過熱力學(xué)計算其推動力，只有那些凈推動力大于零的化學(xué)反應(yīng)在理論上才能夠進(jìn)行；其次還必須考慮該反應(yīng)的速率甚至反應(yīng)的機理問題。前者屬于化學(xué)熱力學(xué)問題，后者則屬于化學(xué)動力學(xué)問題，兩者是相輔相成的，如某一化學(xué)反應(yīng)在熱力學(xué)上雖是可能的，而反應(yīng)速率過慢也無法實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)，還必須通過動力學(xué)的研究來降低反應(yīng)的阻力，加快其反應(yīng)速率；而對那些在熱力學(xué)上不可能的過程就沒有必要再花力氣進(jìn)行動力學(xué)方面的研究了，除非是先通過條件的改變來使其在熱力學(xué)上成為可能的過程。

水熱和溶劑熱合成化學(xué)與溶液化學(xué)不同，它是研究物質(zhì)在高溫和密閉或高壓條件下溶液中的化學(xué)行為與規(guī)律的化學(xué)分支。引申為常溫常壓難進(jìn)行的反應(yīng)。

最初，水熱法主要是合成水晶，因此水熱法的定義為：水熱法是在特制的密閉反應(yīng)容器（高壓釜）里，采用水溶液作為反應(yīng)介質(zhì)，通過加熱反應(yīng)容器，創(chuàng)造一個高溫（100～1000℃）、高壓（1～100MPa）的反應(yīng)環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并重結(jié)晶。水熱法已被廣泛地用于材料制備、化學(xué)反應(yīng)和處理，并成為十分活躍的研究領(lǐng)域。其定義為：水熱過程是指在高溫、高壓下在水、水溶液或蒸氣等流體中所進(jìn)行的有關(guān)化學(xué)反應(yīng)的總稱。

1．水熱法的優(yōu)點

水熱法是一種在密閉容器內(nèi)完成的濕化學(xué)方法，與溶膠凝膠法、共沉淀法等其他濕化學(xué)方法的主要區(qū)別在于溫度和壓力。水熱法通常使用的溫度在130～250℃之間，相應(yīng)的水的蒸汽壓是0.3～4MPa。與溶膠凝膠法和共沉淀法相比，其最大優(yōu)點是一般不需高溫?zé)Y(jié)即可直接得到結(jié)晶粉末，避免了可能形成微粒硬團聚，也省去了研磨及由此帶來的雜質(zhì)。水熱過程中通過調(diào)節(jié)反應(yīng)條件可控制納米微粒的晶體結(jié)構(gòu)、結(jié)晶形態(tài)與晶粒純度。既可以制備單組分微小單晶體，又可制備雙組分或多組分的特殊化合物粉末。可制備金屬、氧化物和復(fù)合氧化物等粉體材料。所得粉體材料的粒度范圍通常為0.1μm至幾微米，有些可以達(dá)到幾十納米。

水熱與溶劑熱法的反應(yīng)物活性得到改變和提高，有可能代替固相反應(yīng)，并可制備出固相反應(yīng)難以制備出的材料，即克服某些高溫制備不可克服的晶形轉(zhuǎn)變、分解、揮發(fā)等。能夠合成熔點低、蒸氣壓高、高溫分解的物質(zhì)。水熱條件下中間態(tài)、介穩(wěn)態(tài)以及特殊相易于生成，能合成介穩(wěn)態(tài)或者其他特殊凝聚態(tài)的化合物、新化合物，并能進(jìn)行均勻摻雜。

相對于氣相法和固相法水熱與溶劑熱的低溫、等壓、溶液條件，有利于生長缺陷極少、取向好的晶體，且合成產(chǎn)物結(jié)晶度高以及易于控制產(chǎn)物晶體的粒度。所得到的粉末純度高、分散性好、均勻、分布窄、無團聚、晶型好、形狀可控、利于環(huán)境凈化等。

2．水熱法的不足

水熱法一般只能制備氧化物粉體，關(guān)于晶核形成過程和晶體生長過程影響因素的控制等很多方面缺乏深入研究，還沒有得到令人滿意的結(jié)論。

水熱法需要高溫高壓步驟，使其對生產(chǎn)設(shè)備的依賴性比較強，這也影響和阻礙了水熱法的發(fā)展。因此，水熱法有向低溫低壓發(fā)展的趨勢，即溫度低于100℃，壓力接近1個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的水熱條件。

方法

董相廷等[30 ]采用水熱晶化法制備了 Ce O2 納米顆粒。他們首先配制一定濃度的 Ce(NO3)3溶液 ,加入少量 H2 O2 溶液 ,并滴加氨水至 p H≥ 9,沉淀經(jīng)過濾、水洗、干燥 ,得非晶態(tài)前驅(qū)體沉淀。將此沉淀加入高壓釜在不同溫度條件下進(jìn)行水熱處理 ,然后過濾、醇洗、干燥 ,得到晶型完整、粒徑不超過 1 0 0 nm的球狀 Ce O2 顆粒。吳南春等[31 ]采用氫氧化物為前驅(qū)物 ,在 2 0 0℃酸性水熱條件下制備了分散良好 ,晶粒尺寸為 5nm～ 1 0 nm的 Ce O2 納米粉末 ,并對水熱晶化的溫度、時間和溶劑酸堿性與產(chǎn)物晶粒形貌的相互關(guān)系進(jìn)行了研究。

由于水熱晶化法制備納米粉體過程中不需作高溫焙燒處理 ,避免了在此過程中可能形成的粉體硬團聚 ,制得的粉體純度高 ,分散性好 ,且制備過程中污染小 ,能量消耗少 ;但該方法要求高溫高壓設(shè)備 ,設(shè)備昂貴 ,投資較大 ,操作不安全。

根據(jù)加熱溫度，水熱法可以被分為亞臨界水熱合成法和超臨界水熱合成法。通常在實驗室和工業(yè)應(yīng)用中，水熱合成的溫度在100-240℃，水熱釜內(nèi)壓力也控制在較低的范圍內(nèi)，這是亞臨界水熱合成法。而為了制備某些特殊的晶體材料，如人造寶石、彩色石英等，水熱釜被加熱至1000℃，壓力可達(dá)0.3 GPa，這是超臨界水熱合成法。

水熱法最初是由法國學(xué)者道布勒(Daubree)、謝納爾蒙等人開始進(jìn)行研究工作的，主要目的是合成水熱成因礦物，探索它們在自然界的生成條件，為水熱合成工業(yè)用礦物和晶體奠定了基礎(chǔ)。

到二十世紀(jì)初，水熱法進(jìn)入了合成工業(yè)用礦物和晶體階段，1904年，意大利斯匹捷（G.Spizia）最初制成了稍大品體匡，到1948年前后，美國地球物理研究所開始使用了新型的彈式高壓筒，于是在水熱合成實驗方面出現(xiàn)了一個新局面，當(dāng)時，摩勒（More）等人所設(shè)計制造的水熱實驗用高壓高溫裝置，已達(dá)到了比較高的水平，使用壓力達(dá)1000~3000大氣壓，使用溫度達(dá)500~600℃。裝置的不斷改進(jìn)，促進(jìn)了水熱條件下合成礦物科學(xué)的發(fā)展。

二十世紀(jì)六十年代，水熱合成法被用來合成功能陶瓷材料用的各種結(jié)品粉末如BaTiO3，CaTiO3，SrTiO3等。八十年代日本在用水熱法合成PZT壓電體結(jié)品粉末方面取得成功。近幾年，用水熱法合成無機材料，制備各種超細(xì)結(jié)品粉末的研究與應(yīng)用，在我國也引起了許多人的關(guān)注，中國科學(xué)院冶金研究所在水熱研究方面做了許多研究工作。吉林大學(xué)化學(xué)系從美國進(jìn)口設(shè)備，建立了研究室，無機微孔品體材料的水熱合成已取得可喜進(jìn)展。西北輕工業(yè)學(xué)院無機非金屬材料與工程系，自制水熱合成設(shè)備，建立了相應(yīng)的研究機構(gòu),在PZT熱電體、壓電體結(jié)晶粉末和BaTiO3的結(jié)品粉末的合成方面取得了較大進(jìn)展。這些均說明，水熱合成法已成為當(dāng)今制造高性能高可靠性功能陶瓷材料的一種具有競爭性的方法。這種方法在水品制造、濕式冶金、環(huán)境保護、煤的液化等諸多領(lǐng)域也具有廣闊的前景。