中國科大在揭示水熱合成的流體行為研究中取得重要進(jìn)展
近100年來，水熱合成法得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，已成為合成單晶、金屬氧化物、陶瓷、沸石和納米復(fù)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、輸出產(chǎn)物及反應(yīng)條件，人們對密閉體系反應(yīng)中的過程是如何發(fā)生的尚不清楚。為了有效地控制水熱合成產(chǎn)物的質(zhì)量，對其中傳熱傳質(zhì)過程的認(rèn)識和理解就顯得尤為重要。因密封的水熱反應(yīng)釜以及高溫高壓條件，難以實(shí)現(xiàn)原位觀察。因此，如何打開這個(gè)“黑匣子”已成為水熱合成研究領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。
近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)俞書宏院士團(tuán)隊(duì)與我校工程學(xué)院丁航教授課題組和吳恒安教授課題組合作，在間歇式水熱合成的流體行為研究領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。研究人員首次利用氧化石墨烯（GO）的液晶行為和凝膠化能力，借助酚醛樹脂（PF）的固化定型作用，獲得具有環(huán)形極向結(jié)構(gòu)的凝膠（GO / PF 凝膠），根據(jù)凝膠的微觀結(jié)構(gòu)來揭示水熱合成中的流體行為。該成果以“Origin of Batch Hydrothermal Fluid Behavior and Its Influence on Nanomaterial Synthesis”為題發(fā)表于Cell Press材料學(xué)旗艦期刊Matter上（Matter 2020, 2, 10.1016/j.matt.2020.02.015）。
研究人員發(fā)現(xiàn)，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(jìn)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(lián)固定形成具有環(huán)形結(jié)構(gòu)的軸對稱（類似于地球磁場分布結(jié)構(gòu)）凝膠。研究人員可以通過對凝膠形貌和結(jié)構(gòu)的直接觀察分析，進(jìn)而推測出水熱合成中的流體行為。據(jù)此，研究人員開展了加熱溫度、溶液粘度和反應(yīng)釜尺寸/形貌等多個(gè)因素進(jìn)行了研究。
圖1.利用GO的液晶行為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(jī)流場。B，氧化石墨烯的液晶行為。C-E，GO納米片沿流線方向排列并由酚醛樹脂固定。F，GO與酚醛樹脂結(jié)合的分子結(jié)構(gòu)圖。
圖2.間歇式水熱反應(yīng)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(shí)間、流速—時(shí)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(shè)定溫度下GO / PF凝膠的橫截面照片。
研究結(jié)果表明，無論反應(yīng)釜聚四氟乙烯內(nèi)襯的大小和幾何形狀如何，水熱合成中的對流總是存在。對于特定的反應(yīng)，溫差和反應(yīng)釜內(nèi)襯大小是影響對流的最主要因素（圖2）。反應(yīng)釜體積越大，其中反應(yīng)液體的傳熱就更不均勻，溫差越大，對流就更強(qiáng)烈。增強(qiáng)對流的作用與機(jī)械擾動(dòng)相同，產(chǎn)物均勻性變差，尤其是會對運(yùn)用水熱法規(guī)?；铣杉{米線、納米片或大塊凝膠材料等產(chǎn)生不可忽視的影響，更強(qiáng)的流場會產(chǎn)生更多的雜質(zhì)或?qū)е氯S塊材內(nèi)部結(jié)構(gòu)不均勻等現(xiàn)象。
該研究進(jìn)一步增進(jìn)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(jī)理的理解，對今后水熱法合成納米材料技術(shù)的發(fā)展具有重要的指導(dǎo)意義。
該項(xiàng)研究受到國家自然科學(xué)基金委創(chuàng)新研究群體、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究項(xiàng)目、中國科學(xué)院納米科學(xué)卓越創(chuàng)新中心等項(xiàng)目的資助。
文章鏈接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30077-1
（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國家研究中心，化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院，科研部）
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