水熱法

對於任一未知的合成化學反應，首先必須考慮的問題是要通過熱力學計算其推動力，只有那些凈推動力大於零的化學反應在理論上才能夠進行；其次還必須考慮該反應的速率甚至反應的機理問題。前者屬於化學熱力學問題，後者則屬於化學動力學問題，兩者是相輔相成的，如某一化學反應在熱力學上雖是可能的，而反應速率過慢也無法實現工業化生產，還必須通過動力學的研究來降低反應的阻力，加快其反應速率；而對那些在熱力學上不可能的過程就沒有必要再花力氣進行動力學方面的研究了，除非是先通過條件的改變來使其在熱力學上成為可能的過程。

水熱和溶劑熱合成化學與溶液化學不同，它是研究物質在高溫和密閉或高壓條件下溶液中的化學行為與規律的化學分支。引申為常溫常壓難進行的反應。

最初，水熱法主要是合成水晶，因此水熱法的定義為：水熱法是在特製的密閉反應容器（高壓釜）里，採用水溶液作為反應介質，通過加熱反應容器，創造一個高溫（100～1000%）、高壓（1～100MPa）的反應環境，使得通常難溶或不溶的物質溶解並重結晶。水熱法已被廣泛地用於材料製備、化學反應和處理，並成為十分活躍的研究領域。其定義為：水熱過程是指在高溫、高壓下在水、水溶液或蒸氣等流體中所進行的有關化學反應的總稱。

“水熱”一詞大約出現在150年前，原本用於地質學中描述地殼中的水在溫度和壓力聯合作用下的自然過程，以後發展到沸石分子篩和其他晶體材料的合成，因此越來越多的化學過程也廣泛使用這一辭彙。水熱與溶劑熱合成是無機合成化學的一個重要分支。水熱合成研究從最初模擬地礦生成開始到合成沸石分子篩和其他晶體材料已經有一百多年的歷史。直到20世紀70年代，水熱法才被認識到是一種製備粉體的先進方法。

無機晶體材料的溶劑熱合成研究是近20年發展起來的，主要指在非水有機溶劑熱條件下的合成，用於區別水熱合成。水熱與溶劑熱合成的研究工作近百年來經久不衰並逐步演化出新的研究課題，如水熱條件下的生命起源問題以及與環境友好的超臨界氧化過程。在基礎理論研究方面，從整個領域來看，其研究重點仍然是新化合物的合成，新合成方法的開拓和新合成理論的建立。人們開始注意到水熱與溶劑熱非平衡條件下的機理問題以及對高溫高壓條件下合成反應機理進行研究。由於水熱與溶劑熱合成化學在技術材料領域的廣泛應用，特別是高溫高壓水熱與溶劑熱合成化學的重要性，世界各國都越來越重視對這一領域的研究。

1．水熱法的優點

水熱法是一種在密閉容器內完成的濕化學方法，與溶膠凝膠法、共沉澱法等其他濕化學方法的主要區別在於溫度和壓力。水熱法通常使用的溫度在130～250℃之間，相應的水的蒸汽壓是0.3～4MPa。與溶膠凝膠法和共沉澱法相比，其最大優點是一般不需高溫燒結即可直接得到結晶粉末，避免了可能形成微粒硬團聚，也省去了研磨及由此帶來的雜質。水熱過程中通過調節反應條件可控制納米微粒的晶體結構、結晶形態與晶粒純度。既可以製備單組分微小單晶體，又可製備雙組分或多組分的特殊化合物粉末。可製備金屬、氧化物和複合氧化物等粉體材料。所得粉體材料的粒度範圍通常為0.1μm至幾微米，有些可以達到幾十納米。

水熱與溶劑熱法的反應物活性得到改變和提高，有可能代替固相反應，並可製備出固相反應難以製備出的材料，即克服某些高溫製備不可克服的晶形轉變、分解、揮發等。能夠合成熔點低、蒸氣壓高、高溫分解的物質。水熱條件下中間態、介穩態以及特殊相易於生成，能合成介穩態或者其他特殊凝聚態的化合物、新化合物，並能進行均勻摻雜。

相對於氣相法和固相法水熱與溶劑熱的低溫、等壓、溶液條件，有利於生長缺陷極少、取向好的晶體，且合成產物結晶度高以及易於控制產物晶體的粒度。所得到的粉末純度高、分散性好、均勻、分佈窄、無團聚、晶型好、形狀可控、利於環境凈化等。

2．水熱法的不足

水熱法一般只能製備氧化物粉體，關於晶核形成過程和晶體生長過程影響因素的控制等很多方面缺乏深入研究，還沒有得到令人滿意的結論。

水熱法需要高溫高壓步驟，使其對生產設備的依賴性比較強，這也影響和阻礙了水熱法的發展。因此，水熱法有向低溫低壓發展的趨勢，即溫度低於100℃，壓力接近1個標準大氣壓的水熱條件。

水熱法按反應溫度分類可分為低溫水熱法，即在100℃以下進行的水熱反應；中溫水熱法，即在100～300℃下進行的水熱反應；高溫高壓水熱法，即在300"C以上，0.3GPa下進行的水熱反應。

水熱法按設備的差異分類，可分為“普通水熱法”和“特殊水熱法”。所謂“特殊水熱法”是指在水熱條件反應體繫上再添加其他作用力場，如直流電場、磁場(採用非鐵電材料製作的高壓釜)和微波場等。

根據研究對象和目的的不同，水熱法可分為水熱晶體生長、水熱合成、水熱反應、水熱處理、水熱燒結等，典型的反應有如下類型：水熱氧化、水熱沉澱、水熱合成、水熱還原、水熱分解、水熱晶化。