一.溶液配制與藥品準備和溶膠-凝膠法相似。
二.確定溶劑—如果用水做溶劑,則稱為水熱合成反應。如果用其他有機溶劑,則稱為溶劑熱合成反應,不同溶劑對產(chǎn)物的影響相當大。
3.熟化溶液—一般文獻中往往會忽略這一步,但這個步驟還是非常重要的。前驅(qū)溶液配好以后,將其由燒杯轉(zhuǎn)移到三口燒瓶中,三口燒瓶的中間一口通電動攪拌器,邊上一口接冷凝管回流,另一口不用的話就用橡皮塞密封。將燒瓶置于恒溫水浴鍋中,在一定溫度下邊加熱邊攪拌。使前驅(qū)溶液更均勻的混合,進行初步水解反應。這個過程也可稱為“熟化”。一般在60-80℃,攪拌2h。溶液熟化的目的,就是在水熱合成反應前,讓溶液中的金屬離子與氧之間進行初步絡(luò)合,形成M-O-M的結(jié)構(gòu),其中M代表金屬離子,O為氧。
四.pH值。溶液體系pH值的不同對產(chǎn)物的形貌(顆粒狀、棒狀、針狀等)、粒徑大小、晶粒尺寸、結(jié)晶度產(chǎn)生重大影響。一般在溶液中加入酸或堿來調(diào)節(jié)pH值,比如檸檬酸、氨水、氫氧化鈉、氫氧化鉀等。也常將其稱為礦化劑,加入后會形成M+x(OH)x不溶物。
五.表面活性劑。表面活性劑的加入會對產(chǎn)物的形貌(顆粒狀、棒狀、針狀等)、粒徑大小、晶粒尺寸、結(jié)晶度產(chǎn)生重大影響。在溶液中加入不同的表面活性劑,會得到不同形貌的產(chǎn)物。原理是水熱合成反應過程中,有晶粒析出時,表面活性劑會跟晶粒的某個表面結(jié)合,降低其表面能,這就會造成某個晶面的優(yōu)勢生長,從而對產(chǎn)物的形態(tài)產(chǎn)生影響。表面活性劑的另一個重要作用是調(diào)節(jié)產(chǎn)物的分散性。顆粒形成以后,在表面能的作用下,表面活性劑的一端吸附在顆粒表面,另一端伸展在溶劑中,對顆粒形成包裹,防止顆粒進一步長大,同時防止顆粒之間靠近,從而形成分散型較好的產(chǎn)物。
六.水熱合成反應。取一定量熟化后的溶液,移入水熱合成反應釜中,并將反應釜密封。將反應釜放置在烘箱(或馬弗爐)中,在一定溫度下加熱一定時間。水熱合成反應后的冷卻方式不同對產(chǎn)物的形貌、粒徑、都可能產(chǎn)生影響。一種冷卻方式為自然冷卻,就是加熱到一定時間后隨率冷卻;另一種冷卻方式為設(shè)定降溫速率的冷卻。
七.水熱合成反應釜的選擇。反應釜有兩種,一種是內(nèi)襯為聚四氟材質(zhì),外殼為不銹鋼材質(zhì),zui高承受溫度≤250℃,一般使用溫度為20℃。另一種是內(nèi)襯和外殼均為不銹鋼材質(zhì),我公司的這種產(chǎn)品有300℃和500℃兩種。不銹鋼材質(zhì)的耐腐蝕性不如聚四氟材質(zhì),不適用于強酸強堿體系。反應釜的容積不宜選擇過大,雖然容積大、裝填量多,但是反應的時候會造成內(nèi)部溫度不均勻,生成的產(chǎn)物不均勻。反應釜的容積一般選擇25-200ml為宜。
八.反應釜裝填量。初次實驗時,裝填量不宜過多,裝填量一般從少量到多量。*次實驗要盡量少裝,先對實驗有個初步的感覺,然后在逐次多裝。避免一次裝填量很多使得反應釜內(nèi)壓力過大,造成危險情況。任何情況下,裝填量都不要超過75%。
九.反應溫度。如果用聚四氟內(nèi)襯的反應釜,反應溫度一般不超過250℃。目前市場上所售的水熱合成反應釜,絕大多數(shù)也zui高只耐受200℃,溫度再高的話,聚四氟的內(nèi)襯就會發(fā)生變形。如果用不銹鋼內(nèi)襯的反應釜,反應溫度可達到300~500℃
十.反應時間。一般是從幾小時到十幾小時不等,有些也會達到二十幾小時。
十一.產(chǎn)物分離洗滌。產(chǎn)物分離洗滌一般有兩種方法:(1)真空泵抽濾。反應結(jié)束后將反應釜中的產(chǎn)物移入抽濾漏斗,通過抽濾進行產(chǎn)物分離。同時用相關(guān)溶劑(無水乙醇和去離子水)多次洗滌,以出去產(chǎn)物中的雜質(zhì)。漏斗一般有布氏漏斗和砂芯漏斗兩種,濾膜可考慮微孔濾膜。抽濾分離的缺點是,漏斗和濾膜不好選擇,產(chǎn)物容易大量流失(水熱合成反應產(chǎn)物本來就很少,抽濾不當?shù)脑挘苋菀自斐僧a(chǎn)物流失)。(2)離心分離。這個是的分離方法,納米級顆粒,離心轉(zhuǎn)速在6000~8000轉(zhuǎn)就可以。離心分離后的產(chǎn)物,還需要多次離心洗滌以除去雜質(zhì)。
十二.產(chǎn)物熱處理。也是分兩步:分離后得到的產(chǎn)物,先在烘箱內(nèi)進行干燥,然后再進行高溫煅燒。高溫煅燒的熱處理制度,也是要先做TG-DSC來分析。根據(jù)不同情況,可采用真空(氣氛)爐。
十三.所需儀器:水熱合成反應釜、真空泵、離心機
十四.影響水熱合成產(chǎn)物的因素:所用溶劑、溶液濃度、pH值、表面活性劑、裝填量、反應溫度、反應時間、冷卻方式。不同的條件都會對產(chǎn)物的表面形貌、顆粒大小、晶粒尺寸、結(jié)晶度、分散性等產(chǎn)生影響。
十五.產(chǎn)物分析測試。SEM(FE-SEM)、TEM、XRD、XRF、XPS、激光粒度儀、比表面積測試儀(BET法)、紅外光譜儀、熱重-差熱分析儀。