纳米光催化材料的水热法合成

一、引言

随着材料科学技术的不断进步，人们对新的粉体合成工艺和新的材料制备技术的研究愈发重视，而水热法是近几年崛起的一种有着光明前景的液相制备技术，广泛应用于制备铁电、压电、氧化物薄膜和陶瓷粉体等领域。

1845年，在水热条件下用硅酸作为原料制备石英晶体，这是最早使用水热法制备材料的实例。随后，地质学家将水热法应用于研究地球科学。1900年，约80种矿物被地质学家用水热法制备出来，包括石英、长石、硅灰石等。1900年之后和他的同伴共同创立了水热合成理论，被用于研究矿物系统。“二战”过后，水热法开始用于制备单晶生长材料。随着材料科学技术的进步，水热法广泛运用于制备无机薄膜、超细颗粒、微孔材料等。到目前为止，一些材料粉体已经可以实现工业化的水热法制备，例如日本公司生产的氧化铝粉体，美国Cabot Corp生产的介电陶瓷粉体等。

笔者主要介绍水热法的基本原理及其特点，并将水热法与当下常用的粉体材料制备方法进行细致比较，进而得出水热法的优点以及所适用的场合。同时，将水热法制备纳米光催化材料的进展进行汇总，以便读者对水热法的原理及前景有较为深刻的了解。

二、水热法制备纳米光催化材料

（一）水热法的特点和原理

水热法是指在特殊的密封反应容器中，以水溶液为反应体系，通过对反应体系加压（或自生蒸汽压）、加热，获得一个相对高压、高温的反应环境，使在正常条件下难溶或不溶的物质溶解并重结晶而进行无机合成或材料处理的一种方法。水热法的具体原理在物理学上表达为，水热法制备粉体的化学反应是在流体参与的高压容器中发生的。高温时，有一定填充度的溶媒在密闭容器中发生膨胀，占满整个容器，进而产生很大的压力。为使反应进行得充分迅速，一般还要在高压釜中加入各类矿化剂。水热法常用的前驱物为氧化物或氢氧化物，加热时它们的溶解度随温度的增加而升高，进而使得溶液过饱和并逐渐形成更稳定的氧化物新相。最终可溶的前驱物或中间产物同稳定氧化物间的溶解度差是反应过程的驱动力。

用热力学知识看可以进行的某些反应，在常温常压下常因反应速率过慢，导致在实际应用中没有价值，但这些反应在水热条件下却有实现的可能。这主要由于在水热条件下，水的物理化学性质会产生如下改变：离子积变高、热扩散系数变高、介电常数变低、蒸汽压变高、密度变低、黏度和表面张力变低等。在水热反应中，水不但是一种起作用并参与反应的化学组分，又是压力传递介质，同时还是溶剂和膨化促进剂，能够用加速渗透反应和控制其过程的物理化学要素的办法，实现无机化合物的产生和改良[1]。

纳米光催化材料的制备方法主要包括气相合成、液相合成和固相合成法三大类。表1对比了纳米功能材料制备方法中水热法与其他方法的优缺点[2-6]。

（二）水热法制备纳米光催化材料进展

光催化材料是指通过该材料在光的作用下改变化学反应进程的一类半导体催化剂材料。在光照条件下某些半导体的电子得到能量从价带跃迁到导带，因此导带出现电子（又叫光生电子），而价带因为失去电子则产生空穴（即光生空穴）。周围环境中的有机物可以通过光生电子-空穴对的还原氧化性能来降解，光解水制备H2和O2也同样可以用此性质来实现。

光催化剂显示出较强的光催化性能,需要满足以下特定条件：1.电子-空穴的分离能力强，并使它们尽量减少复合；2.半导体的导带和价带要合适，在前述净化污染物情况中，价带电位的氧化性要足够能氧化污染物，若要使水能够水解，那么价带电位要能使H2O可以分解产生H2和O2；3.想要催化材料能够在实际情况下使用，还需要考虑能否利用好可见光甚至红外光。

光催化材料可以由各种原材料制成，多种氧化物、硫化物都可以制成半导体光催化剂。论及纳米光催化材料，当今最热门的是二氧化钛，这主要得益于它强大的氧化能力和稳定的化学性质，并且无毒无害。下面主要介绍水热法制备二氧化钛的发展情况。

半导体光催化材料中，纳米二氧化钛活跃的领域相当广泛，反应条件温和易实现、化学性质稳定、反应过程没有二次污染且无毒无害、光电性能卓越、光催化效果好、成本较低等都是它的优势。这些优势使得TiO2备受科学家的青睐，在有机污染物净化、空气净化、能源开发等方面都可以找到它的身影。制备纳米二氧化钛也有许多方法，大体可以分为气相法和液相法两类。气相法的优点在于制备出的产物粒径小，单分散性好且纯度较高，但气相法的操作步骤复杂，能量消耗大，如果实现工业化，则花费成本较高。液相法的优点在于设施简单、操作要求低、工业化成本较低、产物可控制，因此液相法的应用更为广泛。由于水热法得到的纳米材料粒度小、晶型好、均匀不易团聚，近年来引起人们极大的关注并逐渐成为研究热门[7]。

文章来源：《功能材料与器件学报》 网址: http://www.gnclyqjxb.cn/qikandaodu/2021/0208/341.html