材料化學合成與制備技術

1、Chemosynthesis and Preparation Techniques of Materials材料化學合成與制備技術(材料合成化學) 1 The Four Elements of MSESynthesis/ProcessingStructureMechanical and Functional PropertiesPerformance合成/制備成形結構與組成性能使用性能(性能/價格比)2 1.1 概述 1.2 合成條件的影響與控制 1.3 氣相合成法 1.4 液相合成法 1.5 固相合成法 1.6 其他合成法3 1.1概述 化學研究內容:自然界的本質 創(chuàng)造新物質 (合成化學是核

2、心) 材料學家的任務有制備、表征與 性能測試等 (制備是首要任務)1.1.1 合成化學的地位與作用合成、制備4 第一次技術革命產業(yè)革命 始于18世紀的英國，物質基礎是鋼鐵材料，新技術蒸汽機的發(fā)明第二次技術革命電氣革命 1879年愛迪生發(fā)明了電燈，一系列電氣材料相繼誕生與廣泛應用第三次技術革命電子革命 20世紀中葉，新導電、導磁材料和半導體材料的發(fā)明和應用，帶來了計算機的廣泛應用，以及原子能的利用第四次技術革命 ：以信息技術、新材料技術、新能源技術和生物工程技術為基礎1.1.2 無機材料與無機合成的地位與作用 5 (1) 新型能源轉換和儲能材料 主要在電動汽車和混合動力車等新一代環(huán)境協(xié)調型交通工

3、具上發(fā)展。 無機功能材料應用6 (2) 新型光電子材料及器件 在信息技術數字化、網絡化、超大容量信息傳輸、超高密度信息儲存方面發(fā)揮巨大作用光電材料導電材料7 (3) 生物醫(yī)用材料 除人工骨、人工牙齒、HAP陶瓷、心臟瓣膜與血管支架等生物材料之外，利用特殊設計的納米粒子，進行細胞分離、染色，生物探針標記及利用納米制成藥物或新型抗體進行臨床疾病診斷。 8 (4) 信息功能材料 主要應用于信息技術中，材料的制作將向著微型化和智能化方向發(fā)展，在移動通訊與數字化信息技術中扮演重要角色。 .無機合成化學成為推動無機化學及有關學科發(fā)展的重要基礎，也是發(fā)展新型無機材料及現代高新技術的基礎之一。9 1.2.1

4、氣體在實驗中必然存在使用各種氣體。它們參與反應，或作為惰性氣體用于載氣或保護氣氛等。某些實驗對氣體純度要求甚高，即使有萬分之一或更少的雜質，對所研究的體系有不良影響 氣體純化問題氣體流量測定，混合氣體等遇到1.2 合成條件的影響與控制反應體系的氣氛、溫度、溶劑等條件10 氣體鋼瓶藍、黑、黃、綠等氣體的導入與凈化處理11 氣體名稱瓶身顏色字樣橫條顏色標字顏色氮氣瓶黑氮棕黃空氣瓶黑壓縮空氣白二氧化碳氣瓶黑二氧化碳黃黃氧氣瓶天藍氧黑氫氣瓶深綠氫紅紅氯氣瓶草綠氯白白氨氣瓶黃氨黑粗氬氣瓶灰粗氬白純氬氣瓶灰純氬綠氦氣瓶灰氦白液化石油氣瓶灰石油氣紅乙炔氣瓶白乙炔紅氟氯烷氣瓶黃氟氯烷黑其它一切可燃氣體紅其它一

5、切不可燃氣體黑12 氣體鋼瓶 高壓氣瓶是用無縫合金鋼或碳素鋼管制成，器壁很厚，一般最高工作壓力為15MPa。 氫氣、氧氣、氮氣、空氣等在鋼瓶中呈壓縮氣狀態(tài)；二氧化碳、氨、氯、石油氣等在鋼瓶中呈液化狀態(tài)；乙炔鋼瓶內裝有多孔性物質(如木屑、活性炭等)和丙酮，乙炔氣體在壓力下溶于其中。 為了防止各種鋼瓶混用，全國統(tǒng)一規(guī)定了瓶身、橫條以及標字的顏色作為區(qū)別。 使用時為了降低壓力并保持壓力穩(wěn)定，必須裝置減壓閥，各種氣體的減壓閥不能混用。13 氣體的干燥與純化(1) 常用氣源： 氣體鋼瓶: N2, O2, Ar, H2, NH3等 氣體發(fā)生器： (2) 氣體凈化: 濾除固體雜質，干燥除去其他雜質。 脫水：

6、干燥劑、 脫酸： 脫氧 ：銅網 + 加熱 脫氮：堿金屬或堿土金屬及其合金直接吸收除氮 脫CO2： 堿石灰固體14 液態(tài)干燥劑固態(tài)干燥劑固態(tài)干燥劑裝置常用干燥劑濃硫酸無水氯化鈣堿石灰可干燥的氣體H2、O2、Cl2、SO2、CO2、CO、CH4、N2H2、O2、Cl2、SO2、CO、CO2、CH4、HClH2、O2、N2、CH4、NH3不可干燥的氣體NH3、H2S、C2H4、C2H2、HBr、HINH3Cl2、HCl、H2S、SO2、CO2、NO2氣體的干燥15 (1)吸收：氣體通過吸收劑時，雜質與固體或液體吸收劑發(fā)生化學反應而被吸收。 氣體凈化方法(2)吸附：采用多孔的固體吸附劑（如分子篩、硅膠

7、或活性炭等）吸附雜質氣體。吸附與吸收的差別在于吸附僅發(fā)生在吸附劑表面。吸附劑的比表面越大，則其吸附量也越大。(3)化學催化：雜質吸附在催化劑表面上，并與氣體中的其他組分發(fā)生反應，轉變?yōu)闊o害的物質，或者轉化為比原存雜質更易于除去的物質(4) 冷凝：16 氣體凈化方法17 氣體凈化劑各種干燥劑在25C 的脫水能力18 1.2.2 溶劑的選擇與純化處理1) 溶劑的種類 按親質子能力分：酸性溶劑、堿性溶劑、兩性溶劑、非質子溶劑等 水系溶劑、氨系溶劑、拉平溶劑/區(qū)分溶劑等 質子溶劑：H2O、酸 惰性溶劑：極性非質子溶劑、兩性溶劑、非極性溶劑 熔鹽體系：離子化合物的熔鹽 離子液體等：應用較廣19 2) 溶

8、劑作用：均勻混合、均相反應、平穩(wěn)反應、分離產物等， 使某些在水中無法進行的反應得以順利進行 極易潮解的化合物的制備： Sn + I2 (在無水HAc或CS2) SnI2 AgCl Ba(NO3)2 (液氨中) AgNO3 + BaCl2 制備無水鹽 無水氯化物的獲得：LnCl3 無水硝酸鹽的獲得：M(NO3)n x H2O 脫水 () M N2O4 (液態(tài)) M(NO3)n ()20 制備某些異常價態(tài)的特殊化合物：影響反應速度： C2H5I (C2H5)3N (C2H5)4NI 1, 6二氧六環(huán) 苯 (80倍) 丙酮(500倍) 硝基苯(2800倍)提高反應產率21 3)選擇溶劑的原則: 考慮

9、反應歷程、反應方向、反應速度以及反應物、生成物及溶劑本身的性質等因素反應物充分溶解形成均相溶液：相似相溶原理、溶劑的介電常數等(2) 反應物及產物不與溶劑反應(3) 副反應盡可能少：產率低、難分離(4) 溶劑與產物容易分離： 溶解度差異(5) 溶劑有一定粘度、揮發(fā)性低、回收、價格低、毒性低、安全等22 4) 溶劑純化與干燥水：除雜、不溶物等 (蒸餾、離子交換、電滲析 )有機溶劑：干燥除水、除雜質 (a) 干燥效率高、干燥劑容易與溶劑分離 (b) 干燥劑與溶劑不反應、不吸附溶劑 酸性干燥劑 酸性中性溶劑 堿性干燥劑 (c) 乙醚、THF易形成過氧化物，使用前檢查有無過氧化物后再處理，如脫水、蒸餾

10、等: 常見有機溶劑純化：有機試劑手冊或合成手冊23 過氧化物的去除： 根據其氧化性，加入還原劑，如硫酸亞鐵、氯化亞銅等進行破壞過氧化物的檢驗：KI+淀粉使用乙醚、THF時需特別注意24 無水CaCl2：因價廉、干燥能力強而被廣泛應用。干燥速度快，能再生，脫水溫度473K。一般用于填充干燥器和干燥塔。不能干燥氨、胺、酰、酮、醛或酯等。無水硫酸鎂：很強的干燥能力，吸水生成MgSO4.7H2O。吸水迅速快，效率高，干燥有機試劑。固體NaOH和堿石灰：吸水快、效率高、價格便宜，是良好的干燥劑，不適于酸性物質。25 變色硅膠：用于保持儀器、天平的干燥，吸水后變紅。失效的硅膠可在150oC烘干再生后繼續(xù)使

11、用；適于干燥胺、NH3、 O2和 N2等活性氧化鋁(Al2O3)：吸水量大、干燥速度快，能再生(400 -500 K烘烤)。無水Na2SO4：吸水性能比無水硫酸鎂差。有機溶劑的處理裝置26 Phoenix多溶劑純化系統(tǒng)27 1.2.3 真空的獲?。禾貏e對于CVD / PVD方法 粗真空 1.013105 1.3103 Pa 低真空 1.33103 1.310-1 Pa 高真空 1.3310-2 1.3310-5 Pa 超高真空 1.3310-6 1.3310-9 Pa 極高真空 120K 為冷凍溫區(qū)，120KT0.3K 為低溫區(qū), T750三維納米森林功能薄膜51 三維等離子體銀納米彈簧52

12、AP, Dr Huang Zhi-feng .hk/53 Small, 2016, 12: 5902-5909 RSC Advances, 2016, 6: 84348. Sci. Adv. Today, 2016, 2: 25250. Small, 2016, 12: 6698-6702 Tailorable chiroptical activity of metallic nanospiral arrays, Nanoscale, 8: 4504-4510(2016)Two Chiroptical Modes of Silver Nanospirals, Nanotechnology, 2

13、7: 115703(2016).Huang group was invited by a Small special issue to contribute a review ofChiroptically Active Metallic Nanohelices with Helical Anisotropy (Small).55 1.3.2 Chemical Vapor Deposition (CVD) 化學氣相沉積1) CVD簡介： 利用氣態(tài)物質在固體表面進行化學反應，生成固態(tài)沉積物的過程。 基本要求： (1) 能與基體材料有機組合形成沉積層，其他產物容易揮發(fā) (2) 反應物最好是氣體，或

14、者有較大蒸氣壓，容易揮發(fā)。 (3) 沉積裝置簡單實用、操作方便 適于： 制備新晶體、單晶、多晶及玻璃態(tài)無機薄膜材料；物種：氧化物、硫化物、碳化物、氮化物等56 57 CVD 薄膜成長過程58 TiC涂層的模型圖基片涂層擴散層反應氣體廢氣TiCl4+CH4+H2H2TiCl4CH4CH4C+H2Ti+HCl TiCl4H2距離溫度基片擴散層反應氣體59 2) CVD反應器的類型60 3) CVD法分類原料氣體 熱源 加熱方式 溫度 氣體壓力 氣體混合 CVD條件鹵化物CVD法 有機金屬化合物CVD法大氣壓CVD法 熱CVD法 等離子CVD法 光子增強CVD法 激光CVD法 61 常壓化學氣相沉積

15、法 (APCVD) 低壓化學氣相沉積法 (LPCVD) 等離子增強式化學氣相沉積法 (PECVD)62 光反應式化學氣相沉積法 (PCVD) Photo CVD63 APCVD、LPCVD和PECVD的比較64 4) Reaction Types in CVD 熱分解反應 最簡單的沉積反應。熱解法一般在簡單的單溫區(qū)域中，于真空或惰性氣氛加熱襯底至所需溫度后，導入反應劑氣體使之發(fā)生熱分解，最后在襯底上沉積固體材料。這類反應體系的主要問題是源物質和熱解溫度的選擇。a) 氫化物的熱分解66 b) 有機金屬化合物c) 氫化物和有機金屬化合物體系67 化學合成反應 多種氣態(tài)反應物在基體材料表面發(fā)生反應而

16、沉積; 源物質易得、應用更為廣泛，適于制備單晶薄膜、多晶態(tài)及玻璃態(tài)的沉積層a) 氫還原反應b) 氧化反應c) 水解反應68 69 d) 固相反應e) 置換反應70 化學氣相輸運法 以沉積物為源物質，先與適當的氣體介質反應形成氣態(tài)化合物，然后借助載氣輸運到沉積區(qū)發(fā)生逆反應，使反應源物質重新沉積到基體表面T1、T2分別為沉積區(qū)和源區(qū)的溫度 ZnSe是反應源物質 I2(g)是氣體介質，即輸運劑，以ZnI2方式輸運ZnSe（1）化學輸運反應條件的選擇A (s) + B (g) AB(g)T1T2當反應達平衡時，KPPABPBT2 源區(qū)溫度T1 沉積區(qū)溫度PAB 氣體的AB的分壓PB 氣體的B的分壓ln

17、KT1 lnKT2 =rHmR( )T2 T111平衡常數與溫度的關系(Vant Hoff公式)71 根據Vant Hoff公式可知：（1） 的符號決定了KP隨溫度變化的方向，即決定了輸運方向rHmrHm 0時，溫度越高則平衡常數越大，物質從熱端向冷端輸運源區(qū)溫度應高于沉積區(qū)。rHm 10-4 S/cm)，寬的電化學窗口( 4V)。氧化還原過程中高離子移動速率( 10-14 m/s)、低揮發(fā)性、不可燃、良好的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性等優(yōu)點。近幾十年來,人們期待將其作為低成本電解質應用于充電電池、光電電池、電鍍等電化學裝置中。236 1.6.5 分子自組裝法 自組裝由系統(tǒng)構成元素在受人類外介入下，自

18、聚集、組織成規(guī)則結構的現象 。 自組裝普遍存在於自然界中，如生物體的細胞即是由各種生物分子自組裝而成； 分子的結晶即是一種自組裝現象。通過靜電吸附在表面自組裝成多層膜237 自組裝程序的發(fā)生通常會將系統(tǒng)從一個無序的狀態(tài)轉化成一個有序的狀態(tài)，其可以發(fā)生在同的尺。如分子先聚集成納米尺寸的超分子單元，如表面活性劑分子自組裝成膠束這些超分子單元間的作用進而促使其在空間上做規(guī)則的排(如微胞排成體心方之晶格)，而使系統(tǒng)具有一種特定的結構。238 二.自組裝法的核心驅動力 主要包括： 1.固體表面原子與表面活性物質的活性基團間化學鍵的形成； 化學鍵：離子鍵、共價鍵、配位鍵 化學反應：置換反應、縮合反應、配位

19、反應 2.分子之間的相互作用。239 氫鍵驅動 氫鍵是超分子自組裝的基本驅動力之一。氫鍵具有方向性，可利用它控制超分子亞單位之間的間隔。氫鍵的選擇性使具有多重氫鍵相互作用的系統(tǒng)中可以通過挑選精確互補的分子亞單位來對氫鍵驅動的自組裝過程進行控制，以得到具有所期望結構的聚集體。 240 配位鍵驅動 配位鍵可以分為動力學惰性中心金屬配位鍵和動力學活性中心金屬配位鍵。前者類似共價鍵，一旦形成則很很穩(wěn)定；后者則類似氫鍵。卟啉堆積效應驅動具有-電子共軛體系的分子間存在強烈的相互吸引力，這種作用稱為-堆砌效應，容易聚集。241 疏水作用驅動 在水溶液或極性溶劑中，非極性分子趨向于聚集在一起，這是由疏水作用導

20、致的。疏水作用是一種方向性極差的弱相互作用，它在細胞膜的形成和許多酶-底物結合過程起著重要作用。模板驅動 應用分子、離子等作為模板進行的自組裝就叫模板驅動自組裝，其特點是可以使組裝的超分子具有獨特結構和功能。主體分子與模板之間的作用力仍然是非共價作用力。 242 用于制備LB膜的裝置示意圖LangmuirBlodgett技術243 典型的LB膜成膜材料必須是具有“雙親性”，即親水基和疏水基的化合物。通常的LB膜成膜過程可分為三個基本階段： 1) 液面上單分子膜的形成。首先將成膜材料溶解在諸如苯、氯仿等不溶于水的有機溶劑之中，然后滴加在水面上鋪展開來，材料分子被吸附在空氣-水的界面上； 2) 待

21、溶劑蒸發(fā)后，通過一可移動的擋板，減少每一分子所占有的面積(即水面的面積/滴入的分子數)。在某一表面壓下,各個分子的親水基團與水面接觸。疏水基團與空氣一側接觸，即所有分子在亞相表面都基本上成對地取向排列并密集充填而形成單分子層； 3) 通過機械裝置以一定的速度降下基片,亞相表面的單分子層便轉移到基片上。如果再提升基片，則第二層單分子層又轉移到基片上 。244 自組裝技術245 1.6.6 電化學制備法1)電化學方法制備納米材料：獲得晶體尺寸在1-100nm的各種納米材料，如純金屬(Cu,Ni,Zn,Co等)、合金(Co-W, Ni-Zn, Ni-Al, Cr-Cu, Co-P等)。納米金屬線(A

22、u, Ag) 及復合鍍層。所得的納米材料具有很高的密度和極少的空隙率。電化學法制備的納米晶體材料受尺寸和形狀限制少。不像溶膠-凝膠法需要繁雜的后續(xù)過程，可以直接獲得大批量的納米晶體。電化學方法獲得的納米晶體投資低而產率高。電化學方法在技術上的困難較小，工藝靈活，易于控制，很容易由實驗室向工業(yè)化轉變。246 恒電位法制備的Pt納米粒子脈沖恒電位法制備的Pt納米粒子影響因素：電流密度、有機添加劑、pH值、非金屬元素、復合微粒、溫度等247 2).電化學方法制備導電高分子材料導電高聚物是21世紀重要的智能材料之一。1973發(fā)現 TTF-TCNQ電荷轉移復合物具有超導漲落現象。隨后，Shirakawa

23、等發(fā)現含交替單鍵和雙鍵的聚乙炔(polyacetylene, 簡稱 PA)經過碘摻雜之后，其電學性能不僅由絕緣體(10-9S/cm) 轉變?yōu)榻饘賹w(103 S/cm), 而且伴隨著摻雜過程聚乙炔薄膜的顏色也由銀灰色轉變?yōu)榫哂薪饘俟鉂傻慕瘘S色。合成金屬(synthetic metals)概念和多學科交叉的新領域導電高聚物誕生了。248 249 合成金屬的概念和導電高聚物新領域的出現不僅打破了有機高聚物與導電無緣的傳統(tǒng)觀念，而且為低維固體電子學和分子電子學的建立和發(fā)展打下基礎，具有重要的科學意義。經過多年研究，導電高聚物在材料的分子設計和合成，摻雜方法和機理，導電機理，結構與光、電、磁物理性能及

24、其相關機理，可溶性和加工性，技術應用探索和實用化等方面都已取得了長足進展，并正向實用化的方向發(fā)展。250 典型的導電聚合物名稱 縮寫 發(fā)現年代 max/(S/cm)聚乙炔 PA 1977 103聚吡咯 PPy 1978 103聚噻吩 PTH 1981 103聚對亞苯 PPP 1979 103聚苯乙炔 PPV 1979 103聚苯胺 PANI 1985 102其中，聚苯胺被視為最有希望應用的導電聚合物，在二次電池、軍事、節(jié)能涂料、防腐、抗靜電、電磁屏蔽、場效應晶體管、印刷術等方面都有重要應用，主要研究集中在化學電源電極改性方面，尤其是燃料電池方面。251 不同方法制備的聚苯胺性能的比較(a)循環(huán)

25、伏安法(b)恒電流方波法252 聚苯胺電化學活性的比較253 苯胺在不同質子酸中的聚合機理0.05mol/L Ani+0.5mol/L H2SO40.05mol/L Ani+1.0mol/L HNO3254 制備條件對PANi/Pt電極電化學性能的影響255 1.7. 其他納米結構的制備Fabrication of Nanoimprint Mold by scanning probe oxidation (SPO) and Anisotropic Wet Etching掃描探針氧化和非等向性濕式蝕刻制備納米壓模256 Varied 2D Structures on Si(100) Surface257 Schematic Illustration for Fabrication of 3D Silicon-based Nanostructures258 Typical 3D Silicon Structures259 納米壓印術是軟刻印術的發(fā)展，它采用繪有納米圖案的剛性壓模將基片上的聚合物薄膜壓出納米級圖形，再對壓印件進行常規(guī)的刻蝕、剝離等加工，最終制成納米結構和器件?？纱笈恐貜托缘卦诖竺娣e上制備納米圖形結構，并且所制出的高分辨率圖案具有相當好的均勻性