水熱溶劑熱合成反應(yīng)裝置

水熱與溶劑熱的反應(yīng)裝置主要包括高壓反應(yīng)容器和反應(yīng)控制系統(tǒng)。高壓反應(yīng)容器是進(jìn)行水熱與溶劑熱合成實(shí)驗(yàn)的基本設(shè)備；反應(yīng)控制系統(tǒng)通常包括溫度控制、壓力控制和封閉系統(tǒng)控制。

高壓反應(yīng)容器通常稱為高壓反應(yīng)釜（autoclave），其材質(zhì)的選擇比較重要，要求機(jī)械強(qiáng)度大、耐高溫、耐腐蝕，密封嚴(yán)密。按照不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，高壓反應(yīng)釜可分為不同類型。如按加熱條件可分為在釜體外部加熱的外熱高壓釜和在內(nèi)部安裝加熱裝置的內(nèi)熱高壓釜；按密封方式可分為自緊式高壓釜和外緊式高壓釜；按反應(yīng)體系可分為用于封閉實(shí)驗(yàn)的高壓釜和用于開放系統(tǒng)的流動反應(yīng)器和擴(kuò)散反應(yīng)器等。

通常說來，用于封閉實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)釜主要都是由以下幾部分組成：釜蓋、釜身、襯里。釜蓋和釜身通常采用不銹鋼材料，有時(shí)為增強(qiáng)抗壓能力，也采用碳纖維或玻璃纖維增強(qiáng)的鋼材料；為增加體系的密閉性，也會在釜蓋和釜身間加一襯墊。襯里通常采用耐酸堿的聚四氟乙烯材料，如果反應(yīng)溫度較高，也可更換為石英襯里。有時(shí)如果反應(yīng)物與外層材料不反應(yīng)，也可采用無襯里的不銹鋼反應(yīng)釜。圖1為常見的不銹鋼高壓反應(yīng)釜：

在水熱與溶劑熱實(shí)驗(yàn)中，反應(yīng)釜的填充度是非常重要的反應(yīng)參數(shù)。填充度是指反應(yīng)混合物占密閉反應(yīng)釜空間的體積分?jǐn)?shù)。為保證反應(yīng)物在實(shí)驗(yàn)中處于液相傳質(zhì)的反應(yīng)狀態(tài)，同時(shí)防止由于填充度過大導(dǎo)致的反應(yīng)自生壓力過大，因此填充度一般控制在60%～80%。

水熱與溶劑熱反應(yīng)的基本類型如下：

1、合成反應(yīng)

通過數(shù)種組分在水熱或溶劑熱條件下直接化合或經(jīng)中間態(tài)進(jìn)行化合反應(yīng)。利用此類反應(yīng)可合成大量多晶或單晶材料。

2、晶化反應(yīng)

在水熱與溶劑熱條件下，使溶膠、凝膠等非晶態(tài)物質(zhì)進(jìn)行晶化反應(yīng)，大量沸石與微孔晶體的合成屬此類反應(yīng)。

3、水解反應(yīng)

在水熱與溶劑熱條件下，進(jìn)行加水分解的反應(yīng)，如醇鹽水解等。

4、水熱與溶劑熱條件下的單晶培養(yǎng)

在籽晶存在下生長完美大單晶，如水晶（石英單晶）等多功能人工晶體的培養(yǎng)。

5、轉(zhuǎn)晶反應(yīng)

利用水熱與溶劑熱條件下物質(zhì)熱力學(xué)和動力學(xué)穩(wěn)定性差異進(jìn)行的棚變反應(yīng)，眾多介穩(wěn)態(tài)微孔晶體的轉(zhuǎn)晶即屬此列。

水熱溶劑熱合成化學(xué)具有如下特點(diǎn)：

1、由于在水熱與溶劑熱條件下反應(yīng)物反應(yīng)性能的改變、活性的提高以及對產(chǎn)物生成的影響，水熱與溶劑熱合成方法有可能代替固相反應(yīng)等進(jìn)行難于在一般合成條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。也可以根據(jù)反應(yīng)的特點(diǎn)開發(fā)出一系列新的合成路線。

2、由于在水熱與溶劑熱條件下某些特殊的氧化還原中間態(tài)、介穩(wěn)相以及某些特殊物相易于生成，因此能合成與開發(fā)出一系列特種價(jià)態(tài)、特種介穩(wěn)結(jié)構(gòu)、特種聚集態(tài)的新物相與物種。

3、使低熔點(diǎn)、高蒸氣壓且不能在熔體中生成的物質(zhì)以及高溫條件下容易分解的物相能夠在水熱與溶劑熱的低溫條件下晶化生成。

4、水熱與溶劑熱的低溫、等壓與液相反應(yīng)等條件，有利于生長缺陷少的完美晶體，也易于控制產(chǎn)物晶體的粒度與形貌。

5、由于易于調(diào)節(jié)水熱與溶劑熱條件下的環(huán)境氣氛與相關(guān)物料的氧化還原電位．因此有利于某些特定低價(jià)態(tài)、中間價(jià)態(tài)與特殊價(jià)態(tài)化合物的生成，并能均勻地進(jìn)行摻雜。

水熱與溶劑熱合成的一個(gè)重要特點(diǎn)是可操作性和可調(diào)變性強(qiáng)。隨著對此類合成方法的深入研究，開發(fā)出的水熱與溶劑熱合成反應(yīng)已有多種類型?；谶@些反應(yīng)而發(fā)展的水熱與溶劑熱合成方法與技術(shù)具有其他合成方法無法替代的特點(diǎn)，顯示出廣闊的發(fā)展前景。

水熱與溶劑熱合成與固相合成的差別在于反應(yīng)機(jī)理的差異。固相反應(yīng)的機(jī)理主要以界面擴(kuò)散為特點(diǎn)，而水熱和溶劑熱反應(yīng)主要以液相中化學(xué)個(gè)體間的反應(yīng)為特點(diǎn)。顯然，不同的反應(yīng)機(jī)理首先可以導(dǎo)致不同結(jié)構(gòu)的生成，此外即使產(chǎn)物結(jié)構(gòu)相同也可能由于生成機(jī)理的差異，從而為產(chǎn)物引入不同的形貌與新性能，例如在液相條件下，往往可以生成完美的晶體。

無機(jī)功能材料的水熱與溶劑熱合成，利用水熱與溶劑熱環(huán)境，可以合成各種各樣的具有新穎結(jié)構(gòu)和性能的無機(jī)功能材料。

沸石分子篩是一類典型的介穩(wěn)多孔晶體材料，這類材料具有周期排布的孔道結(jié)構(gòu)，其孔口尺寸、形狀、維數(shù)和孔壁性質(zhì)等均可調(diào)變，從而使得這類材料具有豐富的功能，可以應(yīng)用在催化、吸附以及離子交換等領(lǐng)域。水熱合成是沸石分子篩最經(jīng)典的合成方法，溶劑熱合成則是從1985年乙二醇和丙醇體系中合成全硅方鈉石開始，可使用的溶劑有乙醇、甘油等。2100433B

水熱合成又稱水熱法,屬液相化學(xué)法的范疇。是指在密封的壓力容器中,以水為溶劑,在高溫高壓的條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)。水熱反應(yīng)依據(jù)反應(yīng)類型的不同可分為水熱氧化、水熱還原、水熱沉淀、水熱合成、水熱水解、水熱結(jié)晶等。其中水熱結(jié)晶用得最多。

微波加熱是介質(zhì)材料自身損耗電磁場能量而發(fā)熱。對于金屬材料，電磁場不能透入內(nèi)部而被反射出來，金屬材料不能吸收微波，對金屬的微波加熱需要采取特殊手段。水是吸收微波最好的介質(zhì)，含有水的物質(zhì)必定吸收微波。有一部分介質(zhì)雖然是非極性分子組成，但也能在不同程度上吸收微波，其原理是微波加熱屬于整體加熱方式電磁能直接作用于介質(zhì)分子轉(zhuǎn)化成熱，且透射性能使介質(zhì)內(nèi)外同時(shí)受熱，不需要熱傳導(dǎo)，且內(nèi)部缺乏散熱條件，造成內(nèi)部溫度高于外部的溫度梯度分布，形成了水分的遷移蒸發(fā)速率。特別是對含水量在30%以下的食品，水分蒸發(fā)的時(shí)間可數(shù)百倍地縮短，在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到均勻干燥。微波加熱是完全不同于常規(guī)加熱的一種加熱方式，在常溫下，許多無機(jī)化合物和微波場有很強(qiáng)的相互作用。 水熱合成法具有反應(yīng)速度快，產(chǎn)物粒度可控且純度高、結(jié)晶度好、團(tuán)聚少等特點(diǎn)。但是該法存在需要較高壓力，氯鹽易引起腐蝕，采用活性鈦源要控制活性鈦源前軀體的水解速率，避免Ti-OH基團(tuán)快速自身凝聚和Ba缺位等問題。 微波水熱法是美國賓州大學(xué)Roy于1992年提出來的，是將傳統(tǒng)的水熱合成法與微波場結(jié)合起來，充分發(fā)揮了微波和水熱法的優(yōu)勢[15]。與傳統(tǒng)的水熱法相比，具有加熱速度快，反應(yīng)靈敏，受熱體系均勻等特點(diǎn)，使其能快速制備出粒徑分布窄、形態(tài)均一的納米粒子.因此微波水熱法在制備超細(xì)粉體方面具有巨大的潛在研究和應(yīng)用價(jià)值。 本研究結(jié)合微波法與水熱法的優(yōu)點(diǎn),采用微波水熱法制備鉍銪共摻雜氧化釔熒光粉。常見的微波水熱法是用多模微波合成系統(tǒng)，本研究采用能實(shí)現(xiàn)高壓、直接測出反應(yīng)溫度的聚焦單模微波合成系統(tǒng)，制備鉍銪共摻雜氧化釔熒光粉，并研究摻雜離子種類和濃度對顆粒形貌和發(fā)光性能的影響。

北京祥鵠科技發(fā)展有限公司XH-800S微波水熱平行合成儀；XH-800S微波水熱平行合成儀為樣品提供了快速，安全，自動化的解決方案，在高壓條件下加快樣品消解反應(yīng)的速度，適用于納米材料、無機(jī)材料的合成和高溫耐壓體系的合成，廣泛應(yīng)用于科研院所、高等院校等單位。

儀器采用連續(xù)微波加熱，大大延長了儀器的使用壽命和電磁波的均勻性，腔體采用42升大容積奧氏體不銹鋼材料特制而成，爐門和腔體結(jié)合緊密，微波泄漏符合國家標(biāo)準(zhǔn)。儀器采用溫、壓雙控系統(tǒng)對水熱釜的壓力和溫度進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)罐內(nèi)的壓力超過設(shè)定的保護(hù)值時(shí)，微波會自動停止加熱。安全防爆膜具有雙保險(xiǎn)功能，當(dāng)罐內(nèi)的壓力超過防爆膜所能承受的壓力時(shí)，防爆膜先行破裂，氣體瀉出，防止罐體受損和對人體的傷害。

包括水熱合成在內(nèi)的無機(jī)合成化學(xué),近期在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的某些強(qiáng)關(guān)聯(lián)體系做出了重要的貢獻(xiàn)。強(qiáng)關(guān)聯(lián)無機(jī)固體的研究孕育著新概念、新理論和新材料。具有特殊光、電、磁性質(zhì)及催化性能的無機(jī)材料合成、制備與組裝以及結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系研究的突破,導(dǎo)致新物種和新材料的出現(xiàn),甚至?xí)有碌漠a(chǎn)業(yè)革命。新型無機(jī)化合物及功能材料的大量開發(fā),主要依賴于新的合成途徑、合成技術(shù)與相關(guān)理論的發(fā)展。針對國際上在無機(jī)材料的合成與制備研究方面的前沿動態(tài),我們提出并發(fā)展了先進(jìn)材料水熱合成路線,深入廣泛地探討不同類型具特殊光、電、磁、催化功能的無機(jī)材料的合成與制備技術(shù),系統(tǒng)地研究它們的形成規(guī)律和反應(yīng)機(jī)制以及它們的結(jié)構(gòu)、組成、性能及彼此之間的關(guān)系。我們應(yīng)用變化繁多的水熱合成技術(shù)和技巧,制備出了具有光、電、磁性質(zhì)的包括螢石、鈣鈦礦、白鎢礦、尖晶石和焦綠石等主要結(jié)構(gòu)類型的復(fù)合氧化物。該系列復(fù)合氧化物的成功水熱合成,替代及彌補(bǔ)了大量無機(jī)功能材料需要高溫固相反應(yīng)條件的不足。溫和水熱合成技術(shù),結(jié)合變化繁多的合成方法和技巧,已經(jīng)獲得了幾乎所有重要的光、電、磁功能復(fù)合氧化物和復(fù)合氟化物。如雙摻雜二氧化鈰固體電解質(zhì)、巨磁阻材料以及鉍系超導(dǎo)材料。復(fù)合氟化物以往的合成采用氟化或惰性氣氛保護(hù)的高溫固相合成技術(shù),該技術(shù)對反應(yīng)條件要求苛刻,反應(yīng)不易控制。而水熱合成反應(yīng)不但是一條反應(yīng)溫和、易控、節(jié)能和少污染的新合成路線,而且具有價(jià)態(tài)穩(wěn)定化作用與非氧嵌入特征等特點(diǎn)。