水热法制备碳颗粒

1、专业实验（ 2）五：水热法制备碳颗粒这是材料系设置的基础实验课。材料专业实验（2）要求针对材料领域的各种制备方法以及热处理方法进行自我设计， 自我准备，完成工艺的全过程，并得到预期的实验结果，并 结合理论知识， 分析实验结果与制备工艺参数之间的关系。通过材料专业实验（2），让学生基本掌握常用的类制备方法或热处理工艺的原理和工艺过程， 了解工艺过程对最终的结果的 影响规律， 进一步强化学生的理论知识， 培养学生的实际动手操作能力， 为其毕业设计做基 础。一、实验目的本实验让学生熟练掌握水热合成法这种新型的材料制备方法， 熟悉该制备方法的基本流 程，培养动手操作能力和自主设计实验的能力，为毕业论文

2、设计作基础和必要的实验准备。二、实验要求要求学每个学生能独立查阅文献资料， 小组讨论， 确定实验方案， 并将实验方案提前一 天给任课老师审阅； 所有的实验必须在我们已有的设备条件和时间条件下完成； 实验方案中 对每一个工艺必须给出具体的工艺参数， 如反应物浓度、 合成温度、反应时间等。 该实验更 要求学生发挥自己的主观能动性， 自主设计， 自主完成实验全过程。 实验完成后认真分析实 验结果，撰写实验报告。三、实验所需仪器设备本实验所需的主要仪器设备有：高压反应釜，离心机，烘箱等。四、实验原理水热法是在特制的密闭反应容器 （高压釜）里， 采用水溶液作为反应介质，通过对反应 容器加热， 创造一个高

3、温、 高压反应环境， 使得通常难溶或不溶的物质溶解、 反应并重结晶， 从而得到理想的产物 1 。按研究对象和目的的不同，水热法可分为水热晶体生长、 水热合成、水热反应、水热处 理、水热烧结等。分别用来生长各种单晶，制备超细、无团聚或少团聚、结晶良好的陶瓷粉 体2 ，完成某些有机反应或对一些危害人类生存环境的有机废弃物质进行处理，以及在相对 较低的温度下完成某些陶瓷材料的烧结等。 按设备的差异， 水热法又可分为“普通水热法” 和“特殊水热法”。 所谓“特殊水热法”指在水热条件反应体系上再添加其他作用力场， 如 直流电场、磁场（采用非铁电材料制作的高压釜） 、微波场等。作为一种方法，水热法不仅 在

4、实验室里得到了应用和持续的研究， 而且已实现了产业规模的人工水晶水热生长。 特别是 自 1982 年开始用水热反应制备超细微粉的水热法已引起国内外的重视。用水热法制备的超 细粉末，最小粒径已经达到数纳米的水平，归纳起来可分成以下几种类型 3 ： 水热氧化：典型反应可用下式表示：mM + nH2OMmO + H 2其中M可为铬、铁及合金等。 水热沉淀：比如 KF + MnCl 2KMnF2 水热合成：比如 TiCl 4 4KOH TiO 2 + 4KCl + H 2O 水热还原：比如 MexO + yH 2xMe + yH 2O其中Me可为铜、银等。 水热分解：比如 ZrSiO 4 + NaOH

5、 ZrO 2 + Na 2SQ3 水热结晶：比如 AI（OH） 3 Al 2O + H 2O水热法具有3以下优点：a 可直接得到结晶良好的粉体，毋需作高温灼烧处理，避免 了此过程中可能形成的粉体硬团聚；b.粉体晶粒物相和形貌与水热反应条件有关。例如，以ZrOCI 2加氨水制得的Zr（OH） 4胶体为前驱物，在酸性和强碱溶液中，水热反应制得的是单斜ZrO2晶粒，而在中性介质里则可得四方/立方ZrO2晶粒；c.晶粒线度适度可调。水热法制备的粉体晶粒线度与反应条件（反应温度、时间、前驱物形式）有关；d.工艺较为简单。据报道，日本已用水热法工业规模生产纳米级微粒。近年来，水热法技术有了新的改进和发展。

6、如将微波技术引入水热系统，即所谓微波水热法，采用此技术可在很短时间内制得优质纳米粉体。又如利用超临界的水热合成装置，可连接地获得Fe2Q,TiO2,ZrO2,Cr 2Q等一系列纳米氧化物陶瓷粉体。反应电极埋弧（RESA是水热法制备纳米陶瓷粉体的最新技术之一。这种方法是将两块金属电极浸入到能与金属反应的电解质流体中。借助低电压、大电流，在电极间产生电火花提供局部区域内短暂的、极高的温度和压力，导致周围的电解质流体的蒸发，并沉积在周围的电解质溶液中。用此方法已制得了许多氧化物纳米粉体。此外，用有机溶剂代替水作为反应介质的溶剂热反应，在陶瓷纳米粉体制备中也表现出良好的前景。水热反应机理研究是一个令人

7、感兴趣的课题。根据经典的晶体生长理论，水热条件下晶体生长包括以下步骤：营养料在水热介质里溶解，以离子、分子团的形式进入溶液（溶解阶段）；由于体系中存在十分有效的热对流以及溶解区和生长区之间的浓度差，这些离子、分子或离子团被输运到生长区（输运阶段）离子、分子或离子团在生长界面上的吸附、分解与脱附；吸附物质在界面上的运动；结晶（、统称为结晶阶段）。图1给出了水热法水晶生长速率与反应条件（温度、压力、生长区与溶解区之间的温 度梯度）的关系，它代表了水热晶体生长动力学基本特性。从图可看到：填充度一定时，反 应温度越高，晶体生长速率越大；在相同反应温度下，填充度越大，体系压力越高，晶体生 长速率越大。图

8、 1（b）是温度梯度与反应速率的关系在一定的反应温度（指溶解区温度） 和填充度下，AT越大，反应速率越大。图 1（c）则是填充度与反应速率的关系曲线.在一定的反应温度下，晶体生长速率与填充度成正比。0.3-1.3 Ii1.48K72AT/ P誇P.TlmsrpEPeicnt fiH/%(a)(c)94#图1 （a）水热法水晶生长速率对数与反应温度倒数的关系；（b）生长温度梯度 T与反应速率的关系；（c）填充度与反应速率的关系五、实验注意事项防止实验过程中釜内压力过大冲开反1、将实验反应物装入高压反应釜后一定要拧紧釜盖，应釜后高温液体溅出烫伤实验人员。2、使用烘箱加热反应时一定要控制好烘箱的温度

9、，如果温度过高釜内压力太大，高压反应 釜可能发生爆炸事件。3、使用离心机分离反应产物时需在对称位置上放置等重样品进行离心，单个样品离心时需在样品的对称位置放入离心杯，且杯中需装有与样品等重的水，再进行离心。六、实验结果及数据处理如果条件允许，实验结束后对所得产品进行表征，如XRD SEM粒度测试等，分析不同实验条件下得到的产品在结构、形貌和粒径上有何差异。七、实验报告要求实验报告的格式、 内容等要求按照学校统一下发的 “深圳大学实验报告” 格式进行填写。八、思考题及讨论1、实验过程中离心的目的是什么？单个样品离心时如何操作？2、 水热合成法制备的材料有哪些？请查阅文献，并至少列举出5 种。九、参考资料1 赵朝辉，姚素薇，张卫国磁性Fe3O4纳米颗粒.化学通报，2005, 68: 1-