中科大Matter：間歇式水熱合成中流體的行為以及其對納米材料合成的影響

【引言】

水熱合成法在納米技術中具有廣闊的應用前景。迄今，水熱合成已有100多年的歷史，廣泛應用于合成納米材料，包括單晶、金屬氧化物、陶瓷、沸石和復合納米材料。水熱合成通過調節實驗參數可使產物最優化，例如調節動力學參數。對流作為一種非常普遍的現象，促進反應器內部的傳熱傳質。然而，間歇式水熱合成仍是個“黑匣子”，研究人員知道原料、產物和反應條件，而對密閉體系反應中對流是如何產生和進行的尚不清楚。理解傳熱傳質對于更好地控制間歇式水熱合成很重要。然而，高溫下的加壓密閉容器令研究人員難以研究反應過程。

【成果簡介】

近日，中國科學技術大學俞書宏院士、丁航教授（共同通訊作者）等人利用氧化石墨烯（GO）的液晶行為和凝膠化能力，運用酚醛樹脂（PF）的固化定型作用，制備具有環形極向結構的GO/PF?凝膠，根據凝膠的微觀結構來揭示間歇式水熱合成中流體的行為。研究結果表明，對流在水熱合成中總是存在，并且溫差和反應釜內襯大小對對流有著最主要的影響。增強對流會使產物均勻性變差，尤其是會對運用水熱法規模化合成納米線、納米片或大塊凝膠材料等產生不可忽視的影響。上述成果以“Origin of Batch Hydrothermal Fluid Behavior and Its Influence on Nanomaterial Synthesis”為題發表在材料學期刊Matter上。

【圖文導讀】

圖1.?利用GO揭示間歇式水熱合成中的流場

(A)?室溫下一杯冷水中的隨機流場

(B)?偏光顯微鏡圖像

(C)?間歇式水熱合成反應釜內GO/PF 溶液的初始狀態

(D)?溫度梯度引起對流

(E)?GO/PF 溶液的模擬速度場

(F)?GO和PF之間結合的分子結構圖

圖2.GO/PF?凝膠的軸對稱極向結構的表征

(A)?GO/PF?凝膠的照片

(B)?GO/PF?凝膠的截面圖表明環狀分布的GO/PF?納米片具有長程有序的微觀結構

(C)?GO/PF?凝膠的SEM圖

(D–F)?四分之一的凝膠的截面圖也具有對稱環狀的圖案

圖3.?反應釜內流場和傳熱的模擬

(A)?反應釜內不同位置的溫度隨時間變化的曲線

(B–D)?不同溫度下溶液的溫差—時間、流速—時間和流速—溫差曲線

(E)?溶液被加熱后流場的變化情況

(F)?不同溫度下GO/PF凝膠的橫截面的照片

圖4.?通過理論模型揭示反應釜內流體行為

(A) 受流場驅動而流動的納米片的示意圖

(B and C)?早期和末期對稱面具有流線的納米片的空間分布的對比

(D)?數字模擬結果

(E) 三種模擬情況下反應釜內流體行為

圖5.?反應釜尺寸對水熱合成產物的影響

(A and B) 小的(i) 和高的?(ii)高壓釜內合成的ZnO納米顆粒的SEM圖(A)和尺寸分布(B)?

(C and D)?小的(i) 和高的?(ii)高壓釜內合成的Cu納米線的SEM圖(C)和尺寸分布(D)?

(E and F)?小的(i) 和高的?(ii)高壓釜內合成的Co(OH)₂納米片的SEM圖(E)和尺寸分布(F)?

(G–J) 四種高壓釜內合成的Ag/PVA凝膠的照片

【小結】

研究團隊制備了GO/PF?凝膠，根據凝膠的微觀結構來揭示間歇式水熱合成中流體的行為。無論反應釜內襯的大小和幾何形狀如何，水熱合成中的對流總是存在。溫差和反應釜內襯大小對對流有著最主要的影響。增強對流會對運用納米線、納米片或大塊凝膠材料的水熱法規模化合成等產生顯著的影響。該研究對今后水熱法合成納米材料技術的發展具有重要的指導意義。

通訊作者：俞書宏院士

俞書宏，中國科學院院士，中國科學技術大學教授，博士生導師，教育部“長江學者獎勵計劃”長江特聘教授、國家杰出青年基金獲得者、國家重大科學研究計劃項目首席科學家、英國皇家化學會會士、國家自然科學基金委創新研究群體科學基金學術帶頭人、科技部創新人才推進計劃重點領域創新團隊負責人。

通訊作者：丁航教授

丁航，中國科學技術大學近代力學系教授、博士生導師。2014年獲得國家杰出青年基金資助。研究方向：主要致力于介觀及宏觀尺度下含多相界面的復雜流動問題研究。在Annu. Rev. Fluid Mech., J. Fluid Mech., J. Comput. Phy., Phys. Fluids等流體力學領域國際頂級學術期刊上發表學術論文60余篇。

文獻鏈接：Origin of Batch Hydrothermal Fluid Behavior and Its Influence on Nanomaterial Synthesis?（Matter?2020, 2, 10.1016/j.matt.2020.02.015）

本文由kv1004供稿