近100年來，水熱合成法得到了廣泛的應用和發展，已成為合成單晶、金屬氧化物、陶瓷、沸石和納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於輸入原料、輸出產物及反應條件，人們對密閉體系反應中的過程是如何發生的尚不清楚。為了有效地控制水熱合成產物的質量，對其中傳熱傳質過程的認識和理解就顯得尤為重要。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」已成為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書宏院士團隊與我校工程科學學院丁航教授課題組和吳恆安教授課題組合作，在間歇式水熱合成的流體行為研究領域取得重要進展。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，藉助酚醛樹脂（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為。該成果以「Origin of Batch Hydrothermal Fluid Behavior and Its Influence on Nanomaterial Synthesis」為題發表於Cell Press材料學旗艦期刊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（類似於地球磁場分布結構）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為。據此，研究人員開展了加熱溫度、溶液粘度和反應釜尺寸/形貌等多個因素進行了研究。
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並由酚醛樹脂固定。F，GO與酚醛樹脂結合的分子結構圖。
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。
研究結果表明，無論反應釜聚四氟乙烯內襯的大小和幾何形狀如何，水熱合成中的對流總是存在。對於特定的反應，溫差和反應釜內襯大小是影響對流的最主要因素（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，產物均勻性變差，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產生不可忽視的影響，更強的流場會產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製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、中國科學院前沿科學重點研究項目、中國科學院納米科學卓越創新中心等項目的資助。
文章連結：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30077-1
（合肥微尺度物質科學國家研究中心、化學與材料科學學院、科研部）