俞书宏/丁航Matter : 水热合成的流体行为对纳米材料合成的影响

雨辰

2020-03-23

水热合成法具有简单，可持续，低成本和高效率等优势，在纳米技术中具有广阔的应用前景。作为一项已有100多年历史的技术，水热合成策略已得到充分利用，可用于合成各种纳米材料，包括单晶，金属氧化物，陶瓷，沸石，而且通过生物质的水热碳化还可以生产生物燃料和高附加值碳材料。在水热合成过程中，可以通过调整实验参数来优化产品。例如，通过调节热处理时间可以制得具有大量活性面的锐钛矿型TiO₂单晶。同样，反应温度也可以调节产物的形貌。在水热过程中通过搅拌或旋转引起的强制对流合成可确保更均一的反应，从而产生超长纳米线或更均匀的颗粒。作为一种非常普遍的现象，反应器中的对流会促进内部热量和质量传递。但是，间歇式水热过程仍然是一个“黑匣子”，在实验中可获得的信息是输入原料，输出产物和反应条件，而无法了解其内部工作原理。高温下的加压密闭容器内的反应机理研究是一项较大的挑战。

有鉴于此，中国科学技术大学的俞书宏院士和丁航教授等人合作，首次利用氧化石墨烯（GO）的液晶行为和凝胶化能力，借助酚醛树脂（PF）的固化定型作用，获得具有环形极向结构的凝胶（GO/PF凝胶），根据凝胶的微观结构来揭示水热合成中的流体行为。

本文要点

1）在水热条件下，GO纳米片在流体剪切力的作用下可以沿着流场的方向进行排列。而且GO纳米片能够通过与酚醛树脂的原位交联固定形成具有环形结构的轴对称凝胶。

2）无论反应釜中聚四氟乙烯内衬的大小和几何形状如何，水热合成中的对流总是存在，而且温差和反应釜内衬大小是影响对流的最主要因素。增强对流的作用与机械扰动相同，产物均匀性变差，对纳米线、纳米片或大块凝胶材料等的合成具有重要影响。

3）数值模拟研究发现，除了环形流场，在反应釜底部还会出现流动失稳现象，导致底部的流动变得混乱。

总之，该工作促进了对水热合成法制备纳米材料的过程和机理的理解，对高性能纳米材料的合成具有重要的借鉴意义。

参考文献：

Zhi-Yuan Ma et al. Origin of Batch Hydrothermal Fluid Behavior and Its Influence on Nanomaterial Synthesis. Matter, 2020.

DOI: 10.1016/j.matt.2020.02.015

https://doi.org/10.1016/j.matt.2020.02.015