无机材料第二章合成气相固相.ppt

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1、无机材料的合成与制无机材料的合成与制备Synthesis Approaches for Inorganic materials施益峰施益峰纲要要总论-合成的目的和意义液相合成-沉淀反应，溶胶凝胶，水热/溶剂热，电化学气相合成-热裂解，火焰燃烧法，气相沉积，气相输运，物理沉积固相合成-固-固反应，液-固反应Page2气相合成气相合成气相气相热裂解裂解前驱物:-气体/液体/固体辅助活化:-激光-等离子体-超声喷雾-火焰特点:-连续合成，适合大规模生产-分离方便缺点：-颗粒形貌不规整-高温区停留时间短，结晶度差-一般只用于合成粉体材料Page4气相气相热裂解裂解Page5Aluminum nitri

2、de(AlN)气相气相热裂解裂解Page6Swihart,Langmuir 2003,19,8490-8496Silicon nanoparticles气相气相热裂解裂解例子例子:气相白炭黑气相白炭黑-气相白炭黑又称气相二氧化硅、焦性二氧化硅，是四氯化硅在氧-氢焰中水解而成的Si02的白色球形超细粒子，表观密度005g/cm3-反反应：-SiCl4+H2+O2SiO2+H2O+HCl-CH3SiCl3+H2+O2SiO2+CO2+H2O+HCl-特点：特点：-高纯度(99.8%)，粒度小(7-40nm)、比表面积大(150380m2/g)、优越的稳定性、分散性、补强性、增稠性和触增稠性和触变性

3、性-应用：用：-橡胶补强，特别是硅橡胶，其强度可提高40倍-电缆料，-油漆涂料，油墨，墨粉-食品，化妆品，日用品Page7火焰燃火焰燃烧法法火焰正确地说是一种状态或现象，是可燃物与助燃物发生氧化反应时释放光和热量的现象火焰燃火焰燃烧法法Page91.焰心。中心的黑暗部分，由能燃烧而还未燃烧的气体所组成。2.内焰。包围焰心的最明亮部分，是气体未完全燃烧的部分。含着碳粒子，被烧热发出强光，并有还原作用，也称还原焰。3.外焰。最外面几乎无光的部分，是气体完全燃烧的部分。含着过量而强热的空气，有氧化作用，也称氧化焰。地球上的蜡烛火焰地球上的蜡烛火焰 太空中的蜡烛火焰太空中的蜡烛火焰火焰燃火焰燃烧法法P

4、age10Page10高明远小组用火焰燃烧法制备磁性纳米颗粒高明远小组用火焰燃烧法制备磁性纳米颗粒采用甲醇为溶剂及燃料，以乙酰丙酮铁及正硅酸乙酯为前驱体，通过直接燃烧前驱体的甲醇溶液，在火焰中得到了结构规整Fe2O3llSiO2双面体球形磁性纳米颗粒。乙酰丙酮铁和正硅酸乙酯首先在火焰焰芯形成固溶体，然后在内焰进一步形成复合纳米颗粒，随着相分离的发生，最终在外焰部分形成由SiO2和g-Fe2O3组成的双面体型磁性纳米颗粒。Adv.Mater.doi:10.1002/adma.200800570火焰燃火焰燃烧法法XiaolinZheng，StanfordPage11化学气相沉化学气相沉积化学气相沉

5、积：通过化学反应，将气相前驱物在基底表面转化成为固态产物的沉积过程，一般用于制备薄膜材料。SiH4Si+2H2SiH4+O2SiO2+2H2Si(OC2H5)4SiO2+byproducts3SiCl2H2+4NH3Si3N4+6HCl+6H23SiH4+4NH3Si3N4+12H2WF6+3H2W+6HFPage12http:/ 或或烧结开始温度开始温度。不同物。不同物质泰曼温度与其熔点的关系：泰曼温度与其熔点的关系：-金属金属 0.30.4Tm-盐类 0.57Tm-硅酸硅酸盐类 0.80.9Tm固相反固相反应的步的步骤(1)反应物扩散到界面(2)在界面上进行反应(3)产物层增厚Page46

6、影响固相反应的因素影响固相反应的因素一、反一、反应物化学物化学组成与成与结构的影响构的影响反应物结构状态质点间的化学键性质、各种缺陷的多少都会影响反应速率。实际：利用多晶转变、热分解、脱水反应，等过程引起晶格效应来提高生产效率。如：Al2O3+CoOCoAl2O4常用轻烧Al2O3而不用较高温度死烧Al2O3作原料，原因为轻烧Al2O3中有 -Al2O3 -Al2O3转变，能提高Al2O3的反应活性。影响固相反影响固相反应的因素的因素二、二、反应物颗粒尺寸及分布的影响反应物颗粒尺寸及分布的影响说明颗粒愈小，反应愈剧烈颗粒尺寸可改粒尺寸可改变反反应界面、界面、扩散截面以及散截面以及颗粒表面粒表面

7、结构。构。注意注意：颗粒尺寸不同反应机理也可能变化。：颗粒尺寸不同反应机理也可能变化。如如CaCO3和和MoO3的反应：的反应：当在当在600等摩尔反应，等摩尔反应，CaCO3颗粒颗粒尺寸尺寸 MoO3 颗粒尺寸颗粒尺寸 反应由扩散控制；反应由扩散控制；若若MoO3 颗粒尺寸颗粒尺寸 CaCO3颗粒颗粒尺寸尺寸,且且CaCO3过量，过量，则反应由则反应由MoO3的升华控制。的升华控制。影响固相反影响固相反应的因素的因素三、反应温度和压力与气氛的影响三、反应温度和压力与气氛的影响温度：温度升高，反应速度加快温度：温度升高，反应速度加快压力：压力：-热力学：基本不影响各热力学参数热力学：基本不影响

8、各热力学参数-动力学动力学：压力大，反应速度快压力大，反应速度快（压力可显著改变粉料颗粒间的接触状态，如压力可显著改变粉料颗粒间的接触状态，如缩短颗粒间距离，增大接触面积，缩短颗粒间距离，增大接触面积，）Page50影响固相反影响固相反应的因素的因素四、气氛的影响四、气氛的影响 对于一系列能形成非化学于一系列能形成非化学计量氧化物的物量氧化物的物质，气氛可直接影响，气氛可直接影响晶体表面缺陷的晶体表面缺陷的浓度和度和扩散机构与速度散机构与速度。Page51影响固相反影响固相反应的因素的因素五、五、矿化化剂的影响的影响矿化剂在反应过程中不与反应物或反应产物起化学反应,但可以不同的方式和程度影响反

9、应的某些环节。作用机理：1、影响晶核的生成速度；2、影响结晶速度及晶格结构；3、降低体系共熔点，改善液相性质等。例：(1)Na2CO3+Fe2O3中，加入NaCl，反应转化率增加约0.50.6倍；(2)硅砖生产中13的Fe2O3和Ca(OH)2，可得更多鳞石英。Page52假固相反假固相反应A(S)+B(S)C(S)+D例：碳热还原反应合成碳化硅：SiO2+CSiC+COSiO2+CSiO+COC+SiOSiC+COCO+SiOSiC+CO2CO2+CCOOC+O2CO例：Si+CSiCSi先挥发，Si蒸气和碳发生气固反应Page53固相反固相反应-KirkendallEffectPage54

10、KirkendallEffectCoSebyYadongYinandPaulAlivisatossPage55固相反固相反应-KirkendallEffectPage56Single-crystallineZnAl2O4spinelnanotubesZnOAl2O3coreshellnanowireZnAl2O4spinelnanotubes固相反固相反应-阳离子交阳离子交换Page57Science,2004,306,1009固相反固相反应-阳离子交阳离子交换Page58固相反固相反应-阳离子交阳离子交换Page59CdSeAg2SeCdSCdS+Ag2S小小结Page60总论-合成的目的和

11、意义液相合成-沉淀反应，溶胶凝胶，水热/溶剂热，电化学气相合成-热裂解，气相沉积，火焰燃烧法，物理沉积固相合成-固-固反应，KirkendallEffect，阳离子交换作作业钱逸泰课题组在溶剂热合成研究中的主要成果和贡献有哪些？李亚栋课题组在水热合成研究中的主要成果？彭笑刚课题组对量子点合成的主要贡献有哪些？AAO的形成机理是什么？超临界干燥的原理是什么？列举并简述各种化学气相沉积方法的操作流程和特点列举并简述各种物理气相沉积方法的特点固相反应相对于液相和气相反应有什么特点？解释KirkendallEffect，并列举几例KirkendallEffect在材料合成中的应用列举几例阳离子交换(CationExchange)在合成纳米材料中的应用 任任选一一题，篇幅：，篇幅：不超不超过一一页A4纸 有有图说明更好明更好或者或者 教材教材课后后习题任任选两道两道 国国庆节后交作后交作业Page61