Гидротермальный синтез

Гидротермальный синтез (англ. hydrothermal synthesis) — метод получения различных химических соединений и материалов с использованием физико-химических процессов в закрытых системах, протекающих в водных растворах при температурах свыше 100°С и давлениях выше 1 атмосферы.

Описание

Нанокристаллический TiO₂, полученный гидротермальным способом.

Метод основан на способности воды и водных растворов растворять при высоких температурах (до 500°С) и давлении (10–80 МПа, иногда до 300 МПа) вещества, практически нерастворимые в обычных условиях — некоторые оксиды, силикаты, сульфиды. Основными параметрами гидротермального синтеза, определяющими как кинетику протекающих процессов, так и свойства образующихся продуктов, являются начальное значение pH среды, продолжительность и температура синтеза, величина давления в системе. Синтез осуществляется в автоклавах, представляющих собой герметичные стальные цилиндры, способные выдерживать высокие температуры и давление в течение длительного времени.

Для получения нанопорошков обычно используются либо реакции высокотемпературного гидролиза различных соединений непосредственно в автоклаве, либо гидротермальная обработка продуктов реакций при комнатной температуре — при этом используется резкое увеличение скорости кристаллизации многих аморфных фаз в гидротермальных условиях. В первом случае в автоклав загружается водный раствор солей-прекурсоров, во втором — суспензия продуктов реакции в растворе, проведённой при обычных условиях. Необходимость в использовании специальной оснастки и наличие градиента температуры при этом обычно отсутствует.

Преимуществами метода гидротермального синтеза являются возможность синтеза кристаллов веществ, нестабильных вблизи температуры плавления, возможность синтеза крупных кристаллов высокого качества. В качестве недостатков стоит отметить дороговизну оборудования и невозможность наблюдения за кристаллами в процессе роста.

Проведение гидротермального синтеза возможно как при температуре и давлении ниже критической точки для данного растворителя, выше которой исчезают различия между жидкостью и паром, так и в сверхкритических условиях. Растворимость многих оксидов в гидротермальных растворах солей значительно выше, чем в чистой воде; соответствующие соли получили название минерализаторов. Существует также родственная гидротермальному группа сольвотермальных методов синтеза, основанная на использовании органических растворителей и сверхкритического CO₂.

Существенному расширению возможностей гидротермального метода способствует применение дополнительных внешних воздействий на реакционную среду в процессе синтеза. В настоящее время подобный подход реализован в гидротермально-микроволновом, гидротермально-ультразвуковом, гидротермально-электрохимическом и гидротермально-механохимическом методах синтеза.

Одним из наиболее известных наноматериалов, производимых гидротермальным методом, являются синтетические цеолиты. Необходимым условием их получения является присутствие в растворе некоторых поверхностно-активных веществ (ПАВ), активно влияющих на морфологическую эволюцию оксидных соединений в гидротермальных растворах. Выбор условий синтеза и типа ПАВ позволяет целенаправленно получать пористые наноматериалы с заданным размером пор, регулируемым в достаточно широких пределах.

Источники

• Гидротермальные процессы // Химическая энциклопедия. Т. 1. — М.: Советская энциклопедия, 1988. – С. 567.
• Komarneni S., Li Q., Stefansson K.M., Roy R. Microwave-Hydrothermal Processing for Synthesis of Electroceramic Powders // J. Mater. Res. 1993. V. 8, №12. P. 3176–3183.
• Meskin P. E., Ivanov V.K., Baranchikov A. E., Churagulov B. R., Tretyakov Yu.D. Ultrasonicallyassisted hydrothermal synthesis of nanocrystalline ZrO2, TiO2, NiFe2O4 and Ni0.5Zn0.5Fe2O4 powders // Ultrasonics-Sonochemistry. 2006. V. 13. P. 47–53.