中科大Matter：间歇式水热合成中流体的行为以及其对纳米材料合成的影响

【引言】

水热合成法在纳米技术中具有广阔的应用前景。迄今，水热合成已有100多年的历史，广泛应用于合成纳米材料，包括单晶、金属氧化物、陶瓷、沸石和复合纳米材料。水热合成通过调节实验参数可使产物最优化，例如调节动力学参数。对流作为一种非常普遍的现象，促进反应器内部的传热传质。然而，间歇式水热合成仍是个“黑匣子”，研究人员知道原料、产物和反应条件，而对密闭体系反应中对流是如何产生和进行的尚不清楚。理解传热传质对于更好地控制间歇式水热合成很重要。然而，高温下的加压密闭容器令研究人员难以研究反应过程。

【成果简介】

近日，中国科学技术大学俞书宏院士、丁航教授（共同通讯作者）等人利用氧化石墨烯（GO）的液晶行为和凝胶化能力，运用酚醛树脂（PF）的固化定型作用，制备具有环形极向结构的GO/PF 凝胶，根据凝胶的微观结构来揭示间歇式水热合成中流体的行为。研究结果表明，对流在水热合成中总是存在，并且温差和反应釜内衬大小对对流有着最主要的影响。增强对流会使产物均匀性变差，尤其是会对运用水热法规模化合成纳米线、纳米片或大块凝胶材料等产生不可忽视的影响。上述成果以“Origin of Batch Hydrothermal Fluid Behavior and Its Influence on Nanomaterial Synthesis”为题发表在材料学期刊Matter上。

【图文导读】

图1. 利用GO揭示间歇式水热合成中的流场

(A) 室温下一杯冷水中的随机流场

(B) 偏光显微镜图像

(C) 间歇式水热合成反应釜内GO/PF 溶液的初始状态

(D) 温度梯度引起对流

(E) GO/PF 溶液的模拟速度场

(F) GO和PF之间结合的分子结构图

图2.GO/PF 凝胶的轴对称极向结构的表征

(A) GO/PF 凝胶的照片

(B) GO/PF 凝胶的截面图表明环状分布的GO/PF 纳米片具有长程有序的微观结构

(C) GO/PF 凝胶的SEM图

(D–F) 四分之一的凝胶的截面图也具有对称环状的图案

图3.反应釜内流场和传热的模拟

(A) 反应釜内不同位置的温度随时间变化的曲线

(B–D) 不同温度下溶液的温差—时间、流速—时间和流速—温差曲线

(E) 溶液被加热后流场的变化情况

(F) 不同温度下GO/PF凝胶的横截面的照片

图4.通过理论模型揭示反应釜内流体行为

(A) 受流场驱动而流动的纳米片的示意图

(B and C) 早期和末期对称面具有流线的纳米片的空间分布的对比

(D) 数字模拟结果

(E) 三种模拟情况下反应釜内流体行为

图5.反应釜尺寸对水热合成产物的影响

(A and B) 小的(i) 和高的 (ii)高压釜内合成的ZnO纳米颗粒的SEM图(A)和尺寸分布(B)

(C and D) 小的(i) 和高的 (ii)高压釜内合成的Cu纳米线的SEM图(C)和尺寸分布(D)

(E and F) 小的(i) 和高的 (ii)高压釜内合成的Co(OH)₂纳米片的SEM图(E)和尺寸分布(F)

(G–J) 四种高压釜内合成的Ag/PVA凝胶的照片

【小结】

研究团队制备了GO/PF 凝胶，根据凝胶的微观结构来揭示间歇式水热合成中流体的行为。无论反应釜内衬的大小和几何形状如何，水热合成中的对流总是存在。温差和反应釜内衬大小对对流有着最主要的影响。增强对流会对运用纳米线、纳米片或大块凝胶材料的水热法规模化合成等产生显著的影响。该研究对今后水热法合成纳米材料技术的发展具有重要的指导意义。

通讯作者：俞书宏院士

俞书宏，中国科学院院士，中国科学技术大学教授，博士生导师，教育部“长江学者奖励计划”长江特聘教授、国家杰出青年基金获得者、国家重大科学研究计划项目首席科学家、英国皇家化学会会士、国家自然科学基金委创新研究群体科学基金学术带头人、滚球体育 部创新人才推进计划重点领域创新团队负责人。

通讯作者：丁航教授

丁航，中国科学技术大学近代力学系教授、博士生导师。2014年获得国家杰出青年基金资助。研究方向：主要致力于介观及宏观尺度下含多相界面的复杂流动问题研究。在Annu. Rev. Fluid Mech., J. Fluid Mech., J. Comput. Phy., Phys. Fluids等流体力学领域国际顶级学术期刊上发表学术论文60余篇。

文献链接：Origin of Batch Hydrothermal Fluid Behavior and Its Influence on Nanomaterial Synthesis（Matter2020, 2, 10.1016/j.matt.2020.02.015）

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