水热溶剂热合成.ppt

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1、水热溶剂热合成水热溶剂热合成无机晶体材料的溶剂热合成研究是近三十无机晶体材料的溶剂热合成研究是近三十年发展起来的，主要指在年发展起来的，主要指在有机溶剂热有机溶剂热条件条件下的合成，以区别于水热合成。下的合成，以区别于水热合成。第一届水热反应和溶剂第一届水热反应和溶剂热反应热反应(Hydrothermal reactions and solvothermal reactions)国际会议国际会议1982年年4月在日本横滨月在日本横滨2006年年8月在日本森岱月在日本森岱(Sendai)第八届水热反应和溶剂第八届水热反应和溶剂热反应国际会议热反应国际会议水水热热合合成成化化学学侧侧重重于于研研究

2、究水水热热条条件件下下物物质质的的反反应应性性、合合成成规规律律及及产产物物的的结结构构与与性性质质。反反应应需需耐耐高高温温高高压压与与化化学学腐腐蚀蚀的的设设备备。体体系系处处于于非非平平衡衡状状态态，需需用非平衡热力学理论研究合成化学问题。用非平衡热力学理论研究合成化学问题。3.1 水热、溶剂热合成基础水热、溶剂热合成基础一、水热、溶剂热合成的特点一、水热、溶剂热合成的特点水热、溶剂热合成化学是研究物质在高温和密闭水热、溶剂热合成化学是研究物质在高温和密闭或高压条件下溶液中的化学行为与规律的化学分支或高压条件下溶液中的化学行为与规律的化学分支水热、溶剂热合成是指在一定温度水热、溶剂热合成

3、是指在一定温度(1001000)和压强和压强(1l00 MPa)条件下利用溶液中物条件下利用溶液中物质化学反应所进行的合成。质化学反应所进行的合成。水热、溶剂热反应主要以液相反应机理为其以液相反应机理为其特点特点，而固相反应主要以界面扩散以界面扩散为特点。水热、溶剂热化学侧重于水热、溶剂热化学侧重于水热、溶剂热条水热、溶剂热条件下特殊化合物与材料的制备、合成和组件下特殊化合物与材料的制备、合成和组装，装，及及固相反应无法制得的物相或物种，固相反应无法制得的物相或物种，或或使反应在相对温和的水热、溶剂热条件使反应在相对温和的水热、溶剂热条件下进行。下进行。机理上的不同可导致不同结构的材料生成，机

4、理上的不同可导致不同结构的材料生成，如液相条件能生成完美晶体、固相合成能获如液相条件能生成完美晶体、固相合成能获得非整比化合物等，即材料的微结构、性能得非整比化合物等，即材料的微结构、性能等与材料的来源密切相关。等与材料的来源密切相关。水水热热与与溶溶剂剂热热条条件件下下反反应应物物反反应应性性能能的的改改变变、活活性性的的提提高高，水水热热与与溶溶剂剂热热合合成成方方法法有有可可能能代代替替固固相相反反应应以以及及难难于于进进行行的的合合成成反反应应，并并产产生生一一系系列列新新的的合合成成方法方法。水水热热与与溶溶剂剂热热条条件件下下中中间间态态、介介稳稳态态及及特特殊殊物物相相易易于于生

5、生成成，因因此此能能合合成成与与开开发发一一系系列列特特种种介介稳稳结结构构、特特种种凝凝聚聚态态的的新合成产物新合成产物。水热、溶剂热合成化学的特点水热、溶剂热合成化学的特点能够能够使低熔点使低熔点化合物、高蒸气压且不能在化合物、高蒸气压且不能在融体中生成的物质、高温分解相在水热与溶融体中生成的物质、高温分解相在水热与溶剂热剂热低温条件下晶化生成低温条件下晶化生成。水热与溶剂热的低温、等压、溶液条件，水热与溶剂热的低温、等压、溶液条件，有利于生长极少缺陷、取向好、有利于生长极少缺陷、取向好、完美的晶体完美的晶体，且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体且合成产物结晶度高以及易于控制产物晶体的粒

6、度。的粒度。由于易于调节水热与溶剂热条件下的环境由于易于调节水热与溶剂热条件下的环境气氛，因而有利于气氛，因而有利于低价态、中间价态与特殊低价态、中间价态与特殊价态化合物的生成价态化合物的生成，并能均匀地进行掺杂。，并能均匀地进行掺杂。水热、溶剂热合成化学的特点水热、溶剂热合成化学的特点通通过过数数种种组组分分在在水水热热或或溶溶剂剂热热条条件件下下直直接接化化合或经中间态发生化合反应。合或经中间态发生化合反应。利用此类反应可合成各种多晶或单晶材料。利用此类反应可合成各种多晶或单晶材料。Nd2O3+H3PO4 NdP5O14CaOnAl2O3+H3PO4 Ca(PO4)3OH+AlPO4La2

7、O3+Fe2O3+SrCl2 (La,Sr)FeO3FeTiO3+KOH K2OnTiO2(n=4,6)二、水热、溶剂热反应的基本类型二、水热、溶剂热反应的基本类型(1)合成反应合成反应沸沸石石阳阳离离子子交交换换；硬硬水水的的软软化化、长长石石中中的的离离子子交交换换；高高岭岭石石、白白云母、温石棉的云母、温石棉的OH交换为交换为F。(2)热处理反应热处理反应条件处理一般晶体而得到具有条件处理一般晶体而得到具有特定性能晶体的反应特定性能晶体的反应例如：人工氟石棉例如：人工氟石棉人工氟云母人工氟云母(3)转晶反应转晶反应利用水热与溶剂热条件下物质热力利用水热与溶剂热条件下物质热力学和动力学稳定

8、性差异进行的反应学和动力学稳定性差异进行的反应例如：良石例如：良石高岭石高岭石;橄榄石橄榄石蛇纹石蛇纹石;NaA沸石沸石NaS沸石沸石(4)离子交换反应离子交换反应例如例如SiO2单晶的生长，反应条件为单晶的生长，反应条件为0.5mol/LNaOH、温度梯度温度梯度410300、压力、压力120MPa、生长速率、生长速率12mm/d；若在；若在0.25mol/L Na2CO3中，则温度梯度为中，则温度梯度为400370、装满度为、装满度为70、生长速率、生长速率12.5mm/d。(5)单晶培育单晶培育高温高压水热、溶剂热条件下，高温高压水热、溶剂热条件下，从籽晶培养大单晶从籽晶培养大单晶一定温

9、度、压力下物质脱水结晶的反应一定温度、压力下物质脱水结晶的反应(6)脱水反应脱水反应例如例如FeTiO3 FeO+TiO2ZrSiO4+NaOH Na2SiO3+ZrO2FeTiO3+K2O FeO+K2OnTiO2(n=4,6)(7)分解反应分解反应分解化合物得到结晶的反应分解化合物得到结晶的反应例如例如(8)提取反应提取反应从化合物从化合物(或矿物或矿物)中提取金属的反应中提取金属的反应钾矿石中钾的水热提取钾矿石中钾的水热提取重灰石中钨的水热提取重灰石中钨的水热提取例如例如KF+MnCl2 KMnF3KF+CoCl2 KCoF3(9)沉淀反应沉淀反应生成沉淀得到新化合物的反应生成沉淀得到新

10、化合物的反应例如例如Cr+H2O Cr2O3+H2Zr+H2O ZrO2+H2Me+n L MeLn(L=有机配体有机配体)(10)氧化反应氧化反应金属和高温高压的纯水、水溶液、有机溶剂等作金属和高温高压的纯水、水溶液、有机溶剂等作用得到新氧化物、配合物、金属有机化合物的反用得到新氧化物、配合物、金属有机化合物的反应，以及超临界有机物种的全氧化反应应，以及超临界有机物种的全氧化反应例如例如CeO2xH2O CeO2ZrO2H2O MZrO2+TZrO2硅铝酸盐凝胶硅铝酸盐凝胶 沸石沸石(11)晶化反应晶化反应使溶胶、凝胶使溶胶、凝胶(so1、gel)等非晶等非晶态物质晶化的反应态物质晶化的反应

11、例如例如(15)水热热压反应水热热压反应水热热压条件下，材料固水热热压条件下，材料固化与复合材料的生成反应化与复合材料的生成反应例如例如放射性废料处理、特殊材料的固放射性废料处理、特殊材料的固化成型、特种复合材料的制备化成型、特种复合材料的制备(14)反应烧结反应烧结化学反应和烧结反应同时进行化学反应和烧结反应同时进行氧化铬、单斜氧化锆、氧化铝氧化铬、单斜氧化锆、氧化铝氧化锆氧化锆复合体的制备复合体的制备(13)烧结反应烧结反应水热、溶剂热条件下实现烧结的反应水热、溶剂热条件下实现烧结的反应含含OH、F、S2等挥发性物质的陶等挥发性物质的陶瓷材料的制备瓷材料的制备(12)水解反应水解反应醇盐水

12、解等醇盐水解等例如例如例如例如例如例如高温高压水热合成实验温度已高高温高压水热合成实验温度已高达达1000，压强高达，压强高达0.3GPa。它。它利用作为反应介质的水在超临界利用作为反应介质的水在超临界状态下的性质和反应物质在高温状态下的性质和反应物质在高温高压水热条件下的特殊性质进行高压水热条件下的特殊性质进行合成反应。合成反应。按温度按温度分类分类亚亚临临界界合合成成超超临临界界合合成成多数沸石分子筛晶体的水热即为多数沸石分子筛晶体的水热即为典型的亚临界合成反应。反应温典型的亚临界合成反应。反应温度范围是在度范围是在100240之间，适于之间，适于工业或实验室操作。工业或实验室操作。水水热

13、热合合成成高温高压水热合成的高温高压水热合成的应用应用实例实例制备无机物单晶制备无机物单晶CrO2的水热合成的水热合成复杂无机物的合成复杂无机物的合成制备各种铁电、磁电、光电固体材料制备各种铁电、磁电、光电固体材料非线性光学材料非线性光学材料NaZr2P3O12和和AlPO4等；声光等；声光晶体铝酸锌锂；激光晶体和多功能的晶体铝酸锌锂；激光晶体和多功能的LiNbO3和和LiTaO3等；及等；及ZrO2，SnO2、GeO2、CrO2等等制备一些重要的装饰材料制备一些重要的装饰材料如彩色水晶如彩色水晶有的单晶是无法用其它方法得到有的单晶是无法用其它方法得到如如如如表面张力变低表面张力变低三、反应介

14、质的性质三、反应介质的性质高温高压下水热反应具有三个特征高温高压下水热反应具有三个特征使重要离使重要离子间的反子间的反应加速应加速使水解反使水解反应加剧应加剧使其氧化还原电使其氧化还原电势发生明显变化势发生明显变化水的水的性质性质也将也将变化变化蒸气压变高蒸气压变高离子积变高离子积变高密度变低密度变低粘度变低粘度变低按按Arrhenius方程式：方程式：dlnk/dT E/RT2水在密闭加压水在密闭加压条件下加热到沸点以上时，离子反应的速率会增大，条件下加热到沸点以上时，离子反应的速率会增大，即，反应速率常数即，反应速率常数k随温度呈指数函数增加。随温度呈指数函数增加。因此，即使是在常温下不溶

15、于水的矿物或其它有机物，因此，即使是在常温下不溶于水的矿物或其它有机物，在高温高压水热条件下，也能诱发离子反应或促进反在高温高压水热条件下，也能诱发离子反应或促进反应。应。一般地一般地化学反应化学反应离子反应离子反应自由基反应自由基反应电子理论表明，具有极性键的有机化合物，其反电子理论表明，具有极性键的有机化合物，其反应也常具有某种程度的离子性应也常具有某种程度的离子性导致水热反应加剧的主要原因是主要原因是水的电水的电离常数随水热反应温度的上升而增加离常数随水热反应温度的上升而增加 图图31 水的温度水的温度密度图密度图 在工作条件下，压强大小依赖于反应容器中原始溶在工作条件下，压强大小依赖于

16、反应容器中原始溶剂的填充度。剂的填充度。填充度通常在填充度通常在5080为宜为宜，此时，此时压强在压强在0.020.3GPa之间。之间。图图34 不同填充度下水的压强不同填充度下水的压强温度图温度图(FCpT图图)有时作为化学组分起化学有时作为化学组分起化学反应；反应；促进反应和重排；促进反应和重排；传递压力的介质；传递压力的介质；溶剂；溶剂；起低熔点物质的作用；起低熔点物质的作用；提高物质的溶解度；提高物质的溶解度；有时与容器反应。有时与容器反应。高温高压水的作用高温高压水的作用有机溶剂种类多，性质差异大，有机溶剂种类多，性质差异大，需进行溶剂需进行溶剂选择选择。溶剂会使反应物溶解或部分溶解

17、，生成溶剂溶剂会使反应物溶解或部分溶解，生成溶剂合物，合物，这会影响化学反应速率这会影响化学反应速率。在合成体系中，反应物在液相中的浓度、解在合成体系中，反应物在液相中的浓度、解离程度，及聚合态分布等离程度，及聚合态分布等都会影响反应过程都会影响反应过程。四、有机溶剂的性质标度四、有机溶剂的性质标度如如BaSO4或或AgCl等，通过部分共价键的三维等，通过部分共价键的三维缩聚作用而形成，故而水热、溶剂热生成的缩聚作用而形成，故而水热、溶剂热生成的BaSO4或或AgCl比从过饱和溶液中沉积出来更缓比从过饱和溶液中沉积出来更缓慢。其晶化动力学受到许多因素影响。慢。其晶化动力学受到许多因素影响。3.

18、2 水热、溶剂热体系的成核与晶体生长水热、溶剂热体系的成核与晶体生长一、成核一、成核水热、溶剂热体系的化学研究多水热、溶剂热体系的化学研究多针对无机晶体针对无机晶体形成无机晶体的步骤形成无机晶体的步骤在液相或液固界面上少量的反应试剂在液相或液固界面上少量的反应试剂产生微小的不稳定的核，更多的物质产生微小的不稳定的核，更多的物质自发地沉积在这些核上而生成微晶。自发地沉积在这些核上而生成微晶。水热、溶剂热生长的不全是离子晶体水热、溶剂热生长的不全是离子晶体成核的一般特性成核的一般特性成核速率随过冷程度即亚稳性增加而增加成核速率随过冷程度即亚稳性增加而增加粘性也随温度降低而快速增大。因此，过冷程度与

19、粘性也随温度降低而快速增大。因此，过冷程度与粘性在影响成核速率方面具有相反的作用。这使速粘性在影响成核速率方面具有相反的作用。这使速率随温度降低有一极大值率随温度降低有一极大值存在一个诱导期存在一个诱导期在过饱和的籽晶溶液中也形成亚稳态区域，在此在过饱和的籽晶溶液中也形成亚稳态区域，在此区域里仍不能检测出成核。在适当条件下，成核区域里仍不能检测出成核。在适当条件下，成核速率随溶液过饱和程度增加得非常快速率随溶液过饱和程度增加得非常快组成的微小变化可引起诱导期显著变化组成的微小变化可引起诱导期显著变化成核反应的发生与体系的早期状态有关成核反应的发生与体系的早期状态有关(1)在在籽籽晶晶或或稳稳定

20、定的的核核上上的的沉沉积积速速率率随随过过饱饱和和或或过过冷冷度度而而增增加加，搅搅拌拌会会加加速速沉沉积积。不不易易形形成成大大的的单单晶晶，除除非非在在非非常常小小的的过过饱饱和和或或过过冷冷条条件件下进行；下进行；二、非自发成核体系晶化动力学二、非自发成核体系晶化动力学晶体从溶液中结晶生长需要克服一定的势垒晶体从溶液中结晶生长需要克服一定的势垒晶体生长具有如下一些特点晶体生长具有如下一些特点(2)在同样条件下，晶体的各个面常常以不同在同样条件下，晶体的各个面常常以不同速率生长，高指数表面生长更快并倾向于消失。速率生长，高指数表面生长更快并倾向于消失。晶体的习性依赖这种效应并为被优先吸附在

21、确晶体的习性依赖这种效应并为被优先吸附在确定晶面上的杂质如染料所影响，从而减低了这定晶面上的杂质如染料所影响，从而减低了这些面上的生长速率些面上的生长速率(3)晶化反应速率整体上是增加的，在各晶化反应速率整体上是增加的，在各面上的不同增长速率倾向于消失；面上的不同增长速率倾向于消失；(4)缺陷表面的生长比无缺陷的光滑平面缺陷表面的生长比无缺陷的光滑平面快；快；(5)在特定表面上无缺陷生长的最大速率在特定表面上无缺陷生长的最大速率随着表面积的增加而降低。此种性质对在适随着表面积的增加而降低。此种性质对在适当的时间内无缺陷单晶的生长大小提出了限当的时间内无缺陷单晶的生长大小提出了限制。制。籽晶为线

22、性生长速率的测定提供适当的条件。籽晶为线性生长速率的测定提供适当的条件。在籽晶存在下，晶化过程没有诱导期，在籽在籽晶存在下，晶化过程没有诱导期，在籽晶上的沉积速率随着有效沉积表面增加而增晶上的沉积速率随着有效沉积表面增加而增加。因此，为了减少或消除诱导期进而缩短加。因此，为了减少或消除诱导期进而缩短整个反应所需的时间，在混合液中加入籽晶整个反应所需的时间，在混合液中加入籽晶是熟知的手段。是熟知的手段。三、自发成核体系晶化动力学三、自发成核体系晶化动力学若体系中没有籽晶，晶体生长必定经历成核。其中晶体生长与时间的晶体生长与时间的关系曲线是典型的关系曲线是典型的S形形。3.3 水热、溶剂热反应装置

23、和技术程序水热、溶剂热反应装置和技术程序水热、溶剂热反应装置水热、溶剂热反应装置实验用高压弹实验用高压弹分类分类培育大晶体培育大晶体(如水晶等如水晶等)用用的大容积的大容积(10500L)装置装置布利季曼型布利季曼型莫雷型莫雷型自紧式高压釜自紧式高压釜，随着容器内部，随着容器内部压力的增加可以自动压紧到更压力的增加可以自动压紧到更高压力高压力(适用于较高压力适用于较高压力)。外封式高压釜外封式高压釜(容器是从外边容器是从外边用螺钉上紧的用螺钉上紧的)Tuttle等人进一步改进后，这类装置能在更高的温度等人进一步改进后，这类装置能在更高的温度和压力下工作。和压力下工作。莫莫雷雷型型布布利利季季曼

24、曼型型莫雷型：试样直接或间接装在铂容器中放入反应室，莫雷型：试样直接或间接装在铂容器中放入反应室，置于电炉内，保持需要的温度，压力可升到置于电炉内，保持需要的温度，压力可升到101MPa。布利季曼型将莫氏装置加以改进，使其可以在布利季曼型将莫氏装置加以改进，使其可以在500600C及及202303MPa下进行长时间的实验。下进行长时间的实验。反应釜是水热、溶剂热合成装置中的核心设备，反应釜是水热、溶剂热合成装置中的核心设备，一般是由特种不锈钢制成，并在釜内衬有一般是由特种不锈钢制成，并在釜内衬有Pt、聚、聚四氟乙烯或其他耐热、耐压、抗侵蚀材料。四氟乙烯或其他耐热、耐压、抗侵蚀材料。莫雷莫雷型水

25、型水热合热合成实成实验装验装置置 (1)按设汁要求选择反应物料并确定配方；按设汁要求选择反应物料并确定配方；(2)摸索配料次序，混料搅拌。摸索配料次序，混料搅拌。(3)装釜，封釜，加压装釜，封釜，加压(至指定压力至指定压力)；(4)确定反应温度、时间、状态确定反应温度、时间、状态(静止或动态静止或动态晶化晶化)；取釜，冷却取釜，冷却(空气冷、水冷空气冷、水冷)；(6)开釜取样；开釜取样；(7)洗涤、干燥；洗涤、干燥；(8)样品检测样品检测(包括进行形貌、大小、结构、包括进行形貌、大小、结构、比表面积和晶形检测比表面积和晶形检测)及化学组成分析。及化学组成分析。水热反应合成晶体材料的一般程序水热

26、反应合成晶体材料的一般程序水的临界温度是水的临界温度是374，此时的相对密度是，此时的相对密度是0.33，即意味，即意味30装满度的水在临界温度下实装满度的水在临界温度下实际上是气体，所以实验中际上是气体，所以实验中既要保证反应物处于既要保证反应物处于液相传质的反应状态，又要防止由于过大的装液相传质的反应状态，又要防止由于过大的装满度而导致的过高压力满度而导致的过高压力(否则会爆炸否则会爆炸)。一般控制装满度在一般控制装满度在85以下以下、并在一定温度、并在一定温度范围内工作。范围内工作。对于不同的合成体系，要严格控制所需要的对于不同的合成体系，要严格控制所需要的压力。压力。水热、溶剂热实验中

27、的关键因素是装满度关键因素是装满度装满度指反应混合物占密闭反应釜的装满度指反应混合物占密闭反应釜的体体积百分数积百分数直接涉及到实验的安全及成败直接涉及到实验的安全及成败水热技术是沸石分子筛合成的经典和适宜方法之一，水热技术是沸石分子筛合成的经典和适宜方法之一，而用溶剂热技术合成沸石分子筛是从而用溶剂热技术合成沸石分子筛是从1985年年Bibby和和Dale在乙二醇在乙二醇(EG)和丙醇体系中合成全硅方钠石开始的。和丙醇体系中合成全硅方钠石开始的。之后，之后，Sugimoto等在水和有机物如甲醇、丙醇和乙醇胺等在水和有机物如甲醇、丙醇和乙醇胺的混合物中合成了的混合物中合成了ISI系列高硅沸石。

28、系列高硅沸石。3.4 介孔材料的水热、溶剂热合成介孔材料的水热、溶剂热合成一、几种典型沸石分子筛的合成一、几种典型沸石分子筛的合成介孔晶体材料，具有分子尺寸、周期性排布的孔道结介孔晶体材料，具有分子尺寸、周期性排布的孔道结构。构。应用：催化、吸附及离子交换等，向量子电子学、非应用：催化、吸附及离子交换等，向量子电子学、非线性光学、化学选择传感、信息储存与处理、能量储线性光学、化学选择传感、信息储存与处理、能量储存与转换、环境保护及生命科学等领域扩展。存与转换、环境保护及生命科学等领域扩展。1.A型沸石型沸石(LTA)Na12(AlO2)12(SiO2)1227H2O的合成的合成孔径为孔径为0.

29、30.5nm，晶穴内存在强大的电场和极性作，晶穴内存在强大的电场和极性作用，对水有很大的亲和力，由其制备的分子筛膜可以用，对水有很大的亲和力，由其制备的分子筛膜可以渗透蒸发脱出有机物中的水分渗透蒸发脱出有机物中的水分传统的制备方法传统的制备方法13.5g铝酸钠固体铝酸钠固体25gNaOH300mL水水电磁搅拌电磁搅拌下溶解下溶解必要时必要时可加热可加热14.2gNa2SiO39H2O200mL水水剧烈搅拌剧烈搅拌铝铝酸酸钠钠溶溶液液热硅酸热硅酸钠溶液钠溶液加热至约加热至约90C搅拌至反应完全搅拌至反应完全经过滤、水洗、干燥经过滤、水洗、干燥加入加入白色白色A型沸石型沸石原粉，晶粒尺寸原粉，晶粒

30、尺寸12 m白色白色A型沸石原粉型沸石原粉 水热晶化水热晶化Na2OAl2O3SiO2水水按物质的量比按物质的量比Na2O:Al2O3:SiO2:水水=3.5:1:2:130反应混反应混合物合物100C下水热晶化下水热晶化5h过滤洗涤过滤洗涤于于100C下真空干燥下真空干燥10h水热晶化水热晶化2.Y型沸石型沸石(FAU)Na56(AlO2)56(SiO2)136250H2O的合成的合成13.5g铝酸钠固体铝酸钠固体10gNaOH70mL水水电磁搅拌电磁搅拌下溶解下溶解必要时必要时可加热可加热铝铝酸酸钠钠溶溶液液加入加入剧烈搅拌剧烈搅拌盛有盛有100g硅溶胶硅溶胶(含含30%SiO2)的聚丙烯

31、塑料瓶中的聚丙烯塑料瓶中反应混合物有如下摩尔比：反应混合物有如下摩尔比：Al2O3/SiO2=1:10，H2O/SiO2=16，Na+/SiO2=0.8室温下陈化室温下陈化12天后加热到天后加热到95C晶化晶化23天天经过滤、经过滤、洗涤、干洗涤、干燥燥Y型沸石原粉型沸石原粉95C下下20小时小时3.ZSM5(MFI)的合成的合成两种相互交联的孔道体系：两种相互交联的孔道体系：b轴方向直线形孔道轴方向直线形孔道，孔，孔径尺寸径尺寸0.53nm 0.56nm；a轴方向正弦形孔道轴方向正弦形孔道，孔径，孔径尺寸尺寸0.51nm 0.55nm。其孔径与许多重要的工业原。其孔径与许多重要的工业原料的分

32、子相近，在工业上有广泛应用料的分子相近，在工业上有广泛应用 传统合成传统合成0.9g铝酸钠铝酸钠+5.9gNaOH+50g水水铝酸钠溶液铝酸钠溶液8.0g四丙基溴化铵四丙基溴化铵(TPABr)6.2g96%硫酸硫酸100g水水模板剂溶液模板剂溶液有有60g硅溶胶硅溶胶(含含30%SiO2)聚丙烯塑料瓶聚丙烯塑料瓶盖紧盖紧剧烈摇动剧烈摇动反应物摩尔比：反应物摩尔比：Al2O3/SiO2=1:85，H2O/SiO2=45，Na+/SiO2=0.5，TPA+/SiO2=0.195C晶化晶化1014天天经过滤、洗涤、干燥经过滤、洗涤、干燥ZSM5型型沸石原粉沸石原粉水热合成水热合成ZSM5型沸石原粉型

33、沸石原粉140180C下下24小时小时在在200C以下的水热环境中，常产生高达以下的水热环境中，常产生高达1.5 106Pa的自生压力导致沸石晶化，若存在有机胺，的自生压力导致沸石晶化，若存在有机胺，自生压力更大。为避免产生过高压力，填充度自生压力更大。为避免产生过高压力，填充度一般一般控制在控制在75%以内以内。且反应后需。且反应后需等高压釜完等高压釜完全冷却后才可打开全冷却后才可打开，以防压力突然释放，热液，以防压力突然释放，热液外溅造成危险。外溅造成危险。沸石分子筛的合成并不复杂和危险，但实验时需注意沸石分子筛的合成并不复杂和危险，但实验时需注意聚四氟乙烯内衬和密封垫圈在高温下会变软，高

34、于聚四氟乙烯内衬和密封垫圈在高温下会变软，高于200C则不能使用则不能使用反应釜和其内衬经常重复使用，每次实验后反应釜和其内衬经常重复使用，每次实验后必必须清洗干净须清洗干净，否则会给下一次的实验提供晶种。，否则会给下一次的实验提供晶种。通过水热技术合成的沸石产物多数为微米级的通过水热技术合成的沸石产物多数为微米级的晶体，很容易与母液分离，但非常晶体，很容易与母液分离，但非常细小的产物需细小的产物需用离心分离用离心分离。尽管多数沸石对水稳定，但尽管多数沸石对水稳定，但多次洗涤会改变它多次洗涤会改变它们的组成们的组成。同时水解的。同时水解的H+会替换阳离子，导致沸会替换阳离子，导致沸石中模板剂和

35、离子浓度降低。因此，须在合成中石中模板剂和离子浓度降低。因此，须在合成中考虑洗涤条件。考虑洗涤条件。整个晶化过程涉及太多反应和平衡，且成核和晶体生整个晶化过程涉及太多反应和平衡，且成核和晶体生长多在非均相混合物中进行，整个过程又随时间变化，长多在非均相混合物中进行，整个过程又随时间变化，故完全理解沸石生成机理和详细过程是困难的。故完全理解沸石生成机理和详细过程是困难的。二、水热合成沸石分子筛的基本过程二、水热合成沸石分子筛的基本过程水热是合成沸石和分子筛的最好途径。水热提高了水水热是合成沸石和分子筛的最好途径。水热提高了水的有效溶剂化能力，使反应物或最初生成的非均匀的的有效溶剂化能力，使反应物

36、或最初生成的非均匀的凝胶混合均匀和溶解，也提高成核和晶化速度。凝胶混合均匀和溶解，也提高成核和晶化速度。水热合成沸石基本过程水热合成沸石基本过程硅铝酸盐硅铝酸盐(或其它组成或其它组成)水合凝胶的产生水合凝胶的产生水合凝胶溶水合凝胶溶解生成过饱解生成过饱和溶液和溶液产物的产物的晶化晶化晶化过程基本步骤晶化过程基本步骤新核形成新核形成核的生长核的生长沸石晶体的生长及沸石晶体的生长及引起的二次成核引起的二次成核指指在在从从一一介介稳稳相相通通过过沉沉淀淀溶溶解解和和晶晶化化过过程程中中生生成成一一个个新新相相所所需需要要的的化化合合物物(或离子或离子)。三、沸石分子筛水热合成中的添加剂三、沸石分子筛

37、水热合成中的添加剂1.矿化剂矿化剂常用的矿化剂主要常用的矿化剂主要有有OH和和F。它们。它们的的主要作用是增加硅酸盐、铝酸盐主要作用是增加硅酸盐、铝酸盐等的溶解度等的溶解度。(1)孔道填充作用；孔道填充作用；(2)使无机结构单元有序化，即使无机结构单元有序化，即结构导向作用或模板作用；结构导向作用或模板作用；(3)起平衡骨架电荷作起平衡骨架电荷作用，影响产物的骨架电荷密度用，影响产物的骨架电荷密度(硅铝比硅铝比)；(4)改变改变凝胶化学性质，在溶液中形成典型的前驱体单元；凝胶化学性质，在溶液中形成典型的前驱体单元；(5)使生成的骨架结构稳定。使生成的骨架结构稳定。2.阳离子阳离子用金属离子或有

38、机阳离子等用金属离子或有机阳离子等平衡产物的电荷平衡产物的电荷有机阳离子的形状和大小是可以选择的。通过控制有有机阳离子的形状和大小是可以选择的。通过控制有机阳离子的空间效应和电子性质，可以为沸石合成提机阳离子的空间效应和电子性质，可以为沸石合成提供一个新的自由度，这导致了合成高硅沸石比合成低供一个新的自由度，这导致了合成高硅沸石比合成低硅沸石有更广泛的自由空间。然而，事实上硅沸石有更广泛的自由空间。然而，事实上有机阳离有机阳离子不只是简单地起着平衡电荷的作用，在沸石生成过子不只是简单地起着平衡电荷的作用，在沸石生成过程中还起着决定最终产物结构的重要作用程中还起着决定最终产物结构的重要作用。有机

39、添加剂的作用有机添加剂的作用在在ZSM5的合成过程中，模板剂四丙基铵被发现位于的合成过程中，模板剂四丙基铵被发现位于ZSM5的两个走向不同孔道的交叉处，四个丙基链伸向四个不同的两个走向不同孔道的交叉处，四个丙基链伸向四个不同的孔道。研究表明这些沸石的生成是通过硅酸盐物种围绕的孔道。研究表明这些沸石的生成是通过硅酸盐物种围绕有机阳离子聚合并生成三维结构的。有机阳离子聚合并生成三维结构的。3.有机模板剂或结构导向剂有机模板剂或结构导向剂有机阳离子的大小和形状与产物的孔道或笼的大小和有机阳离子的大小和形状与产物的孔道或笼的大小和形状存在一定的关系，因此，形状存在一定的关系，因此，有机阳离子起着一定的

40、有机阳离子起着一定的模板作用模板作用如在方钠石如在方钠石Na8Al6Si6O24(OH)2(H2O)2的合成中添加四甲基铵的合成中添加四甲基铵(TMA)，结果发现，结果发现TMA位于方钠石笼中。因为方钠石笼是个位于方钠石笼中。因为方钠石笼是个6元环，窗口很小，元环，窗口很小，TMA不能自由出入方钠石笼，因此不能自由出入方钠石笼，因此TMA只只能是在方钠石笼形成过程中被包在里面的。能是在方钠石笼形成过程中被包在里面的。TMA的大小正好的大小正好适合于方钠石笼，因而普遍认为适合于方钠石笼，因而普遍认为TMA在方钠石笼形成过程中在方钠石笼形成过程中起着模板剂作用。起着模板剂作用。模板剂的用量存在一个

41、适当的范围，并不是越多越好模板剂的用量存在一个适当的范围，并不是越多越好使用有机添加剂体系，能观察到孔道填充作用。使用有机添加剂体系，能观察到孔道填充作用。孔道填充物可提高有机孔道填充物可提高有机无机骨架的热力学稳定性无机骨架的热力学稳定性。有机客体作为孔道填充物取代水位于孔道中，降低水有机客体作为孔道填充物取代水位于孔道中，降低水与生长中的分子筛之间的相互作用。在这种情况下，与生长中的分子筛之间的相互作用。在这种情况下，只只要求有机物的化学性质有足够的能力与无机骨架发要求有机物的化学性质有足够的能力与无机骨架发生作用，而分子形状不很重要生作用，而分子形状不很重要。如如ZSM5的合成过程中所用

42、的有机物主要起着孔道填的合成过程中所用的有机物主要起着孔道填充物的作用。充物的作用。4.孔道填充剂孔道填充剂在磷酸铝分子筛合成的低pH值条件下，四面体AlO4物种稳定性比八面体物种差，若在合成时加入一定量的有机胺，则对AlO4物种起到稳定作用。这可能是有机胺的存在形成了疏水的壳层，阻止了溶剂水的亲核进攻。如VPI-5(VFI)合成中，有机胺(Pr2NH等)没有进入固体产物中，其主要作用可能是控主要作用可能是控制反应混合物的制反应混合物的pH值在一定的范围之内值在一定的范围之内。5.缓冲剂和修饰剂缓冲剂和修饰剂加入极少量的六甲基季铵加入极少量的六甲基季铵(Me3N(CH2)6NMe3)(每千每千

43、克反应物克反应物0.6g)到合成到合成ZSM5的体系中，产物将是丝的体系中，产物将是丝光沸石光沸石Na2Ca(AlSi5O12)412H2O和石英，而无和石英，而无ZSM5生成。生成。而在相似的情况下十烃季铵而在相似的情况下十烃季铵(Me3N(CH2)10NMe3)是是生成生成ZSM5的模板剂。的模板剂。计算机分子模型模拟结果表明，六甲基季铵的作用计算机分子模型模拟结果表明，六甲基季铵的作用是因为是因为(CH2)6链太短，不能允许两端的三甲基铵链太短，不能允许两端的三甲基铵基团同时处于孔道的交叉处，而它们在基团同时处于孔道的交叉处，而它们在ZSM5快生快生长面的键合作用更有效地阻止了长面的键合

44、作用更有效地阻止了ZSM5的生成。的生成。6.抑制剂抑制剂阻止特定骨架结构形成的某些有机分子阻止特定骨架结构形成的某些有机分子如如如各种杂原子分子筛的合成如各种杂原子分子筛的合成7.有机胺的辅助作用有机胺的辅助作用作为碱作为碱提高体系的提高体系的pH到到1012，此范围，此范围有利于沸石的迅速成核和生长有利于沸石的迅速成核和生长模板作用模板作用与强模板剂一起使用与强模板剂一起使用如与四丙基铵如与四丙基铵(TPA)一起合成一起合成ZSM5避免引进无机阳离子避免引进无机阳离子配位作用配位作用增大某些金属离子的溶解增大某些金属离子的溶解度，使其易于进入骨架度，使其易于进入骨架有有机机胺胺晶种对某些分

45、子筛的生成有决定性作用，尤其晶种对某些分子筛的生成有决定性作用，尤其是在轻微过饱和度下，直接成核不能发生，是在轻微过饱和度下，直接成核不能发生，晶晶种提供全部生长面种提供全部生长面，也可能，也可能诱导成核诱导成核。晶种的。晶种的加入还会加入还会缩短晶化时间缩短晶化时间和和抑制杂晶抑制杂晶的生长。的生长。8.晶种晶种各各因因素素之之间间彼彼此此常常相相互互关关联联，因因此此单单独独地地研研究究一个因素对合成的影响通常是相当困难的。一个因素对合成的影响通常是相当困难的。四、沸石合成的可能规律四、沸石合成的可能规律影响沸石水热合成的因素影响沸石水热合成的因素温温度度时时间间反应物源反应物源和类型和类

46、型pH值值使用的无机或使用的无机或有机阳离子有机阳离子陈化陈化条件条件反应反应釜釜不能简单地使用起始原料的比例来控制产物不能简单地使用起始原料的比例来控制产物的组成的组成。因为沸石合成体系含有液相和凝胶组。因为沸石合成体系含有液相和凝胶组分，任何一个反应物量的变化都可以影响溶液分，任何一个反应物量的变化都可以影响溶液和固相的化学的组成，固体产物的组成不能反和固相的化学的组成，固体产物的组成不能反映出整个混合物的组成。映出整个混合物的组成。1.反应物反应物起起始始原原料料硅源硅源铝源铝源金属离子金属离子碱碱水水添加剂添加剂硅酸钠固体、溶液硅酸钠固体、溶液无定形氧化硅无定形氧化硅铝酸钠铝酸钠氢氧化

47、铝氢氧化铝硫酸铝硫酸铝硝酸铝硝酸铝异丙醇铝异丙醇铝碱金属、碱碱金属、碱土金属以氢土金属以氢氧化物氧化物粘粘土土可可作作为为硅硅源源或或铝铝源源直直接接使使用用或或处处理理后后使使用用不同的硅源或铝源具有不同的溶解度，会影响反应动不同的硅源或铝源具有不同的溶解度，会影响反应动力学，影响晶体尺寸大小，甚至得到不同的晶相。有力学，影响晶体尺寸大小，甚至得到不同的晶相。有时使用特定的硅源或铝源能容易避免出现杂晶。因为时使用特定的硅源或铝源能容易避免出现杂晶。因为硅酸盐或硅铝酸盐在溶液中达到平衡需要很长时间，硅酸盐或硅铝酸盐在溶液中达到平衡需要很长时间，早在达到平衡之前成核和生长过程就开始了。早在达到平

48、衡之前成核和生长过程就开始了。影响硅酸盐或硅铝酸盐溶解度的主要因素影响硅酸盐或硅铝酸盐溶解度的主要因素pH离子强度离子强度水量水量温度温度溶解度大溶解度大的硅源或铝源的硅源或铝源(导致大的过饱和度导致大的过饱和度)有有利于生成较小的晶体利于生成较小的晶体，而，而低溶解度低溶解度的硅源或铝的硅源或铝源源有利于生成大晶体有利于生成大晶体不不是是所所有有沸沸石石的的低低硅硅和和高高硅硅形形式式都都能能被被合合成成出出来来。到到目目前前为为止止，只只有有方方钠钠石石的的硅硅铝铝比比范范围围可可以以从从1到到无无穷穷大。但方钠石算不上真正的沸石，应是类长石。大。但方钠石算不上真正的沸石，应是类长石。能能

49、够够在在较较宽宽的的Si/A1比比范范围围内内合合成成的的沸沸石石有有镁镁碱碱沸沸石石(FER)(Si/A1从从5至至无无穷穷大大)和和 沸沸石石(Si/A1从从3至至无无穷穷大大，低低硅硅组组成成的的骨骨架架只只存存在在于于天天然然矿矿物物，实实验验室室合合成成的的 沸沸石石硅硅铝铝比比一一般般高高于于10，合合成成后后铝铝化化能能够够降降低低硅硅铝铝比比至至4左右左右)。2.硅铝比硅铝比对终产物的结构和组成起着对终产物的结构和组成起着决定性作用决定性作用产物的硅铝比不同于反应混合物的硅铝比产物的硅铝比不同于反应混合物的硅铝比晶体的成核和生长常常需要不同硅铝比晶体的成核和生长常常需要不同硅铝

50、比的无机结构单元，因此即使在同一晶体的无机结构单元，因此即使在同一晶体中不同的区域可能有不同的硅铝比。中不同的区域可能有不同的硅铝比。高水含量的沸石一般要求低温合成，而低水含量的沸高水含量的沸石一般要求低温合成，而低水含量的沸石一般要求高温合成。水的自生压力随温度升高而升石一般要求高温合成。水的自生压力随温度升高而升高。高温高压倾向于生成较低孔隙度和较低水含量的高。高温高压倾向于生成较低孔隙度和较低水含量的沸石甚至致密相。例如，沸石甚至致密相。例如，A型沸石和型沸石和X型沸石有很高型沸石有很高的孔隙度的孔隙度(可达可达50)，通常是在较低的温度，通常是在较低的温度(100左左右右)下合成，而高