[发明专利]一种水热合成加工工艺

说明书

技术领域

本发明属于合成加工领域，具体而言，本发明一种新的水热合成加工工艺。

背景技术

水热合成是指温度为100～1000℃、压力为1MPa～1GPa条件下利用水溶液中物质化学反应所进行的合成。在亚临界和超临界水热条件下,由于反应处于分子水平,反应性提高,因而水热反应可以替代某些高温固相反应。又由于水热反应的均相成核及非均相成核机理与固相反应的扩散机制不同,因而可以创造出其它方法无法制备的新化合物和新材料。一系列温和与高温高压水热反应的开拓及其在此基础上开发出来的水热合成路线,已成为目前获取多数无机功能材料和特种组成与结构的无机化合物的重要途径。在水热合成体系中,已开发出多种新的合成路线与新的合成方法,如直接法、籽晶法、导向剂法、模板剂法、络合剂法、有机溶剂法以及微波法。

但是，目前还没有报道将研究方向集中在水热合成与固态高压合成二者的结合方面。而且，现有的水热合成工艺还并不十分完善，还需要在多方面进行改进。

发明内容

针对上述问题，本发明对水热合成工艺进行了改进和优化，采用单质非金属与金属化合物相结合的方式，首先在溶液状态下，利用中低温(相对于通常的水热合成而言)进行反应，并且调节反应的PH值。此外，本发明在进行了中低温水热反应之后，还结合超高压烧结工艺制备，来进行化合物的制备，兼具二者的优势。本发明的特点是工制备艺简单，制备过程无需任何有机溶剂，样品粒度均匀、纯度高，块体材料致密度高，载流子浓度可控。发明人的制备工艺不仅关注化合物的微观形貌，而且关注与化合物热电性能紧密相关的载流子浓度的调控。

具体而言，本发明提供了一种水热合成加工工艺，其特征在于，所述水热合成加工工艺包括如下步骤：

步骤1)取第一预定量包含第一金属的金属化合物；

步骤2)取第二预定量的第一非金属单质；

步骤3)将所述金属化合物与所述非金属单质混合，并置于溶剂中配置成溶液；

步骤4)将所述溶液加热至第一预定温度并维持第一预定时间；

步骤5)取步骤4)中所得的反应产物，并对所述反应产物进行干燥处理，获得相应固体物质；

步骤6)将所述固体物质制成预定形状的块体；

步骤7)对所述块体加压至预定压力；

步骤8)以预定升温速率对所述块体进行升温，并且当升温至第二预定温度后，维持第二预定时间。

优选地，所述第一金属为元素周期表第四主族或第五主族中的金属；所述第一非金属单质为元素周期表第五主族或第六主族中的非金属单质。

优选地，所述第一预定量与所述第二预定量之间的关系为二者的摩尔比值为1:1.02至1:1.1。

优选地，所述溶剂为水，所述第一金属为Pb、Sb或Ag，所述第一金属的化合物为所述第一金属的硝酸盐、硫酸盐或氯化物。

优选地，所述第一非金属单质为磷或硫。

优选地，所述第一预定温度为100-220度，所述第一预定时间为2-18小时。

优选地，所述步骤5)还包括对所述溶液的反应产物进行洗涤，所述干燥过程采用的干燥方式为真空干燥4-12个小时，干燥温度为45-60℃或者60-70℃。

优选地，所述步骤4)还包括调节所述溶液的PH值至≥10，优选调节至11-12.5。本申请的发明人发现，当将水热反应的PH值调至11-12.5之后，反应更加彻底，产物性能更好。

在一种优选实现方式中，化合物采用Pb(NO₃)₂非金属单质采用S粉，此外，还在化合物中添加掺杂元素的氯化物。

在一种优选实现方式中，在所述步骤7)中所提到的预定压力指的是1.3-2.5GPa，优选2.1GPa。步骤8)中的第二预定温度为烧结温度为400～700℃，优选为600℃，第二预定时间为15～50分钟。

优选地，在溶液中还加入1:1.5的NaOH和NaBH₄。进一步地，还在配置溶液时以SbCl₃或BiCl₃为作为掺杂剂。二者总含量为第一金属的金属化合物的0.5％-1.2％。

在另一种实现方式中，如果金属原料选用Pb，则化合物中还可以包括用于Pb位掺杂的Bi、Sb或Ag，掺杂量为S元素的0～2％。