1、材料化学材料化学Chemistry of materials Better chemistry,better life!铝曾经比金银还要珍贵铝曾经比金银还要珍贵 100多年前，英国皇家学会赠送门捷列夫铝杯。“天才的发现，实现在梦中。”法国皇帝拿破仑三世为了显示自己的尊贵，用铝作了一顶头盔，成为轰动一时的新闻。引言引言 2011年，全球消费年，全球消费5050亿个铝易拉罐。亿个铝易拉罐。熔盐电解法制取金属铝。熔盐电解法制取金属铝。引言引言实际实际问题问题合成合成方法方法方案方案应用应用材料材料材料的制备方法液相法液相法 水热溶剂热法水热溶剂热法液相沉淀法液相沉淀法 熔盐法熔盐法固相法固相法纯固相
2、反应纯固相反应两相反应两相反应三相反应三相反应气相法气相法物理气相沉积物理气相沉积化学气相沉积化学气相沉积为什么高压锅煮饭、炖肉时间短、效率高？为什么高压锅煮饭、炖肉时间短、效率高？我们周围还有哪些水热我们周围还有哪些水热/溶剂热过程？溶剂热过程？水热水热/溶剂热法溶剂热法教学目标教学目标1.掌握水热溶剂热方法的原理掌握水热溶剂热方法的原理2.掌握反应釜的使用方法和注意事项掌握反应釜的使用方法和注意事项3.了解水热了解水热/溶剂热方法在材料制备领域中的溶剂热方法在材料制备领域中的应用进展应用进展水热水热/溶剂热合成技术溶剂热合成技术1.基本概念基本概念2.发展历程发展历程3.方法原理方法原理4
3、.仪器设备仪器设备5.应用案例应用案例水热水热/溶剂热合成：溶剂热合成：在一定温度(100-1000oC)和压力(1-100MPa)条件下，利用溶液中物质间的化学反应，制备功能材料的一种有效方法。1.基本概念基本概念水热法水热法(Hydrothermal Synthesis)：在密闭反应器中，采用水溶液作为反应体系，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，并且重结晶而合成材料的方法。溶剂热法溶剂热法(Solvothermal Synthesis)：将水热法中的水换成有机溶剂（有机胺、醇、氨、四氯化碳或苯等）。9u 最早采用水热法制备材料：1845年K.F.Eschafh
4、autl以硅酸为原料在水热条件下制备石英晶体；u 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；u 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。2.水热法的发展水热法的发展10u1985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。u到目前为止，溶剂热合成法已得到很快的发展，并在材料制备中具有越来越重要的作用。2.溶剂热法的发展溶剂热法的发展钱逸泰院士3.方法原理方法原理(1
5、)离子积变高离子积变高(2)粘度、密度、表面张力变低粘度、密度、表面张力变低(3)热扩散系数变高热扩散系数变高(4)蒸气压变高蒸气压变高水的变化水的变化对反应的影响对反应的影响(1)离子间反应加速离子间反应加速(2)水解反应加速水解反应加速(3)氧化还原电势改变氧化还原电势改变C(H+)C(OH-)=KW,其中KW称作水的离子积常数。温度温度/度度压力压力Kw250.1MPa10-141000.1MPa10-1210001GPa10-7.85100015-20GPa完全解离完全解离水的离子积随P和T的增加迅速增大，当1000 oC，15-20GPa条件下，此时水完全解离成H3O+和OH-，几乎
6、类同于熔融盐。水的电离：(1)离子积变高离子积变高使溶液中的分子和离子的活动性大为增加，在水热溶液中存在着十分有效地扩散，从而使反应加快。例如在300-500oC时，水热溶液的粘度约为9-1410-5Pa.s，较常温常压下水溶液的粘度低约两个数量级。(2)粘度、密度、表面张力变低粘度、密度、表面张力变低水热条件下水的热扩散系数比其在常温常压下有较大的增加，这使得水热溶液比常温常压下的水溶液具有更大的对流驱动力。热扩散系数：反映温度不均匀的物体中温度均匀化速度的物理量。(3)热扩散系数变高热扩散系数变高15(4)蒸气压变高蒸气压变高压力的作用在于通过增加分子间碰撞的机会而加快反应，高压对原子外层
7、电子具有解离作用，促进氧化反应。4.仪器设备仪器设备聚四氟乙烯内衬、不锈钢外套4.仪器设备仪器设备注意事项：1.合理的填充度（50%-80%）2.合理的温度（200 oC）3.新反应细致调研后再开展4.慎重使用医保化学品5.充分冷却后再处理反应釜6.用后及时清理洗涤Chem.Mater.2006,18,3599.CuS的立方八面体铜线串起来的糖葫芦J.Am.Chem.Soc.2008,130,5650.纳米磁手链银芯纳米电缆J.Am.Chem.Soc.2008,130,11606.J.Am.Chem.Soc.2005,127,2822.溶剂热法制备二氧化钛微球溶剂热法制备二氧化钛微球钛酸四正丁
8、酯和一水合柠檬酸溶于无水乙醇，200 oC处理30小时。J.Adv.Physi.Chem.2014,3,17.水热处理香蒲制备纳米多孔催化剂水热处理香蒲制备纳米多孔催化剂水热处理(180 oC,12h)香蒲的花穗制备高比表面氮掺杂的纳米多孔碳材料，作为高效燃料电池氧还原催化剂。水热法制备酚醛树脂超级结构水热法制备酚醛树脂超级结构J.Am.Chem.Soc.2013,135,12928.水热处理(160 oC,4h)高压锅批量制备通纳米线高压锅批量制备通纳米线Inorganic Chemistry,2014,53,4440.温度对产物的显著影响温度对产物的显著影响T 160 C:nanowire
9、s or nanoribbons搅拌促进超长纳米管生长搅拌促进超长纳米管生长Advanced Materials,2014,26,6111.水热水热/溶剂热宏量组装碳纳米纤维溶剂热宏量组装碳纳米纤维Acc.Chem.Res.,2013,46,1450水处理、浮油回收、柔性电子器件水热水热-溶剂法制备二氧化钛纳米纤维膜溶剂法制备二氧化钛纳米纤维膜材料的合成过程与组装过程合二为一。Chin.J.Chem.2012,30,1469.反应釜内衬纹路引导纳米纤维自组装反应釜内衬纹路引导纳米纤维自组装J.Mater.Chem.2012,22,16890反应釜三维空间内纳米纤维自组装反应釜三维空间内纳米纤维自组装Unpublished results！29(1)无法无法观察晶体生长和材料合成的观察晶体生长和材料合成的过程。过程。(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)存在安全隐患。存在问题存在问题小结小结(1)高温高压环境、溶剂性质改变、反应加速。高温高压环境、溶剂性质改变、反应加速。(2)操作简单、可制备丰富多彩的材料。操作简单、可制备丰富多彩的材料。(3)既可以制备材料，又可以组装材料。既可以制备材料，又可以组装材料。Thank you！
