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中國科大在水熱合成的流體行爲研究中取得進展

2020-03-23 中國科學技術大學
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  100年來,水熱合成法得到了廣泛的應用和發展,已成爲合成單晶、金屬氧化物、陶瓷、沸石簣D{米複合材料等多種材料的常用方法。然而,水熱合成中所能獲得的信息僅限于輸入原料、輸出産物及反應條件,人們對密閉體系反應中的過程是如何發生的尚不清楚。爲了有效地控制水熱合成産物的質量,對其中傳熱傳質過程的認識和理解就顯得尤爲重要。因密封的水熱反應釜以及高溫高壓條件,難以實現原位觀察。因此,如何打開這個“黑匣子”已成爲水熱合成研究領域所面臨的挑戰。

  近日,中國科學技術大學俞书宏团队与工程科学学院丁航课题组和吴恒安课题组合作,在間歇式水热合成的流体行为研究领域取得新进展。研究人员首次利用氧化石墨烯(GO)的液晶行爲和凝膠化能力,借助酚醛樹脂(PF)的固化定型作用,獲得具有環形極向結構的凝膠(GO/PF 凝膠),根據凝膠的微觀結構來揭示水熱合成中的流體行爲。該成果以Origin of Batch Hydrothermal Fluid Behavior and Its Influence on Nanomaterial Synthesis 爲題發表在材料學期刊Matter上(Matter 2020, 2, 10.1016/j.matt.2020.02.015)。

  研究人員發現,在水熱條件下,GO納米片在流體剪切力的作用下可以沿著流場的方向進行排列(圖1。此外,GO納米片能夠通過與酚醛樹脂的原位交聯固定形成具有環形結構的軸對稱(類似于地球磁場分布結構)凝膠。研究人員可以通過對凝膠形貌和結構的直接觀察分析,進而推測出水熱合成中的流體行爲。據此,研究人員對加熱溫度、溶液粘度和反應釜尺寸/形貌等多個因素進行了研究。

  研究结果表明,无论反应釜聚四氟乙烯内衬的大小簣D负涡巫慈绾危水热合成中的对流总是存在。对于特定的反应,温差和反应釜内衬大小是影响对流的最主要因素(圖2)。反應釜體積越大,其中反應液體的傳熱就更不均勻,溫差越大,對流就更強烈。增強對流的作用與機械擾動相同,産物均勻性變差,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産生不可忽視的影響,更強的流場會産生更多的雜質或導致三維塊材內部結構不均勻等現象。

  該研究進一步增進了對水熱合成法制備不同尺度和形狀的微納材料過程及機理的理解,對今後水熱法合成納米材料技術的發展具有重要的指導意義。

  該項研究受到國家自然科學基金委創新研究群體、國家自然科學基金重點項目、中科院前沿科學重點研究項目、中科院納米科學卓越創新中心等的資助。

  文章鏈接

  1.利用GO液晶行爲和凝膠化能力揭示間歇式水熱合成中的流場。A,室溫下一杯冷水中存在的隨機流場。B,氧化石墨烯的液晶行爲。C-EGO納米片沿流線方向排列並由酚醛樹脂固定。FGO与酚醛树脂结合的分子结构圖。

  2.間歇式水熱反應釜中溫度場和流場的有限元模擬A不同位置的溫度變化曲線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水熱過程中流場的變化過程F在不同設定溫度下GO/PF凝膠的橫截面照片。

打印 責任編輯:葉瑞優

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