单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2020/1/27,#,材料化学,Chemistry of materials,Better chemistry,better life!,材料化学Better chemistry,better l,1,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,2011,年，全球消费,5050,亿个铝易拉罐。,熔盐电解法制取金属铝。,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,2,引言,实际问题,合成方法,方案,应用,材料,引言实际问题合成方法方案应用材料,3,材料的制备方法,液相法,水热溶剂热法,液相沉淀法,熔盐法,固相法,纯固相反应,两相反应,三相反应,气相法,物理气相沉积,化学气相沉积,材料的制备方法液相法 水热溶剂热法液相沉淀法 熔盐法固相法纯,4,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,/,溶剂热过程？,水热,/,溶剂热法,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/,5,教学目标,掌握水热溶剂热方法的原理,掌握反应釜的使用方法和注意事项,了解水热,/,溶剂热方法在材料制备领域中的应用进展,教学目标掌握水热溶剂热方法的原理,6,水热,/,溶剂热合成技术,基本概念,发展历程,方法原理,仪器设备,应用案例,水热/溶剂热合成技术基本概念,7,水热,/,溶剂热合成：,在一定温度,(100-1000,o,C),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,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,(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）。,水热/溶剂热合成：1.基本概念水热法(Hydrother,8,9,最早采用水热法制备材料：,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,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。,2.,水热法的发展,9 最早采用水热法制备材料：1845年K.F.Eschafh,9,10,1985,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，并在材料制备中具有越来越重要的作用,。,2.,溶剂热法的发展,钱逸泰院士,101985年，Bindy首次在“Nature”杂志上发表文,10,3.,方法原理,(1),离子积变高,(2),粘度、密度、表面张力变低,(3),热扩散系数变高,(4),蒸气压变高,水的变化,对反应的影响,(1),离子间反应加速,(2),水解反应加速,(3),氧化还原电势改变,3.方法原理(1)离子积变高(2)粘度、密度、表面张力,11,C(H,+,)C(OH,-,)=,K,W,其中,K,W,称作,水的离子积常数。,温度,/,度,压力,Kw,25,0.1MPa,10,-14,100,0.1MPa,10,-12,1000,1GPa,10,-7.85,1000,15-20GPa,完全解离,水的离子积随,P,和,T,的增加迅速增大,，,当,1000,o,C,，,15-20GPa,条件下，此时水完全解离成,H,3,O,+,和,OH,-,，几乎类同于熔融盐。,水的电离：,(1),离子积变高,C(H+)C(OH-)=KW,其中KW称作水的离子积常数,12,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,300-500,o,C,时,，水热溶液的粘度约为,9-1410,-5,Pa.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,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,13,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,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,14,15,(4),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，高压对原子外层电子具有解离作用，促进氧化反应。,15(4)蒸气压变高压力的作用在于通过增加分子间碰撞的机会,15,4.,仪器设备,聚四氟乙烯内衬、不锈钢外套,4.仪器设备聚四氟乙烯内衬、不锈钢外套,16,4.,仪器设备,注意事项,：,合理的填充度（,50%-80%,）,合理的温度（,200,o,C,）,新反应细致调研后再开展,慎重使用医保化学品,充分冷却后再处理反应釜,用后及时清理洗涤,4.仪器设备注意事项：,17,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.,Chem.Mater.2006,18,3599.Cu,18,溶剂热法制备二氧化钛微球,钛酸四正丁酯和一水合柠檬酸溶于无水乙醇，,200,o,C,处理,30,小时。,J.Adv.Physi.Chem.,2014,3,17.,溶剂热法制备二氧化钛微球钛酸四正丁酯和一水合柠檬酸溶于无水乙,19,水热处理香蒲制备纳米多孔催化剂,水热处理,(180,o,C,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。,水热处理香蒲制备纳米多孔催化剂水热处理(180 oC,1,20,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,o,C,4h),水热法制备酚醛树脂超级结构J.Am.Chem.Soc.,21,高压锅批量制备通纳米线,Inorganic Chemistry,2014,53,4440.,高压锅批量制备通纳米线Inorganic Chemistry,22,温度对产物的显著影响,T 160,C:,nanowires or nanoribbons,温度对产物的显著影响T 160 C:nanotubes,23,搅拌促进超长纳米管生长,Advanced Materials,2014,26,6111.,搅拌促进超长纳米管生长Advanced Materials,24,水热,/,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/溶剂热宏量组装碳纳米纤维Acc.Chem.Res.,25,水热,-,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.,水热-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,26,反应釜内衬纹路引导纳米纤维自组装,J.Mater.Chem.,2012,22,16890,反应釜内衬纹路引导纳米纤维自组装J.Mater.Chem,27,反应釜三维空间内纳米纤维自组装,Unpublished results,！,反应釜三维空间内纳米纤维自组装Unpublished res,28,29,(1),无法,观察晶体生长和材料合成的,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,29(1)无法观察晶体生长和材料合成的过程。存在问题,29,小结,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。,(3),既可以制备材料，又可以组装材料。,小结高温高压环境、溶剂性质改变、反应加速。(2)操作简单、,30,Thank you,！,Thank you！,31,