Samorozwijająca się synteza wysokotemperaturowa
Samorozwijająca się synteza wysokotemperaturowa (SHS) to metoda wytwarzania zarówno związków nieorganicznych , jak i organicznych poprzez spalanie egzotermiczne Reakcje w ciałach stałych o różnym charakterze. Reakcje mogą zachodzić między stałym reagentem sprzężonym z gazem, cieczą lub innym ciałem stałym. Jeśli wszystkie reagenty, półprodukty i produkty są ciałami stałymi, nazywa się to stałym płomieniem. Jeśli reakcja zachodzi między reagentem stałym a reagentem w fazie gazowej, nazywa się to spalaniem infiltracyjnym. Ponieważ proces zachodzi w wysokich temperaturach, metoda ta idealnie nadaje się do produkcji materiałów ogniotrwałych, w tym proszków, stopów metali czy ceramiki.
Nowoczesny proces SHS został zgłoszony i opatentowany w 1971 roku, chociaż niektóre procesy podobne do SHS były znane wcześniej.
Zalety i wady
Samorozwijająca się synteza wysokotemperaturowa to ekologiczna technika syntezy, która jest wysoce wydajna energetycznie i wykorzystuje niewiele toksycznych rozpuszczalników lub wcale. Przeprowadzono analizę środowiskową, aby wykazać, że SHS ma mniejszy wpływ na środowisko niż tradycyjne techniki przetwarzania w fazie roztworu. Technika ta zużywa mniej energii do produkcji materiałów, a oszczędności kosztów energii rosną wraz ze wzrostem wielkości partii syntezy.
SHS nie jest odpowiednią techniką do produkcji nanocząstek. Zazwyczaj wysokotemperaturowy charakter procesu prowadzi do spiekania cząstek podczas i po reakcji. Wysokie temperatury generowane podczas syntezy również prowadzą do problemów z rozpraszaniem energii i odpowiednimi naczyniami reakcyjnymi, jednak niektóre systemy wykorzystują ten nadmiar ciepła do napędzania innych procesów roślinnych.
Metodologia
W swoim zwykłym formacie SHS przeprowadza się zaczynając od drobno sproszkowanych reagentów, które są dokładnie wymieszane. W niektórych przypadkach odczynniki są drobno sproszkowane, aw innych są spiekane , aby zminimalizować ich powierzchnię i zapobiec niezainicjowanym reakcjom egzotermicznym, które mogą być niebezpieczne. W innych przypadkach cząstki są aktywowane mechanicznie za pomocą technik, takich jak wysokoenergetyczne mielenie kulowe (np. w młynie planetarnym), w wyniku czego powstają cząstki nanokompozytu zawierające oba reagenty w poszczególnych komórkach chemicznych. Po przygotowaniu reagentów syntezę inicjuje się przez punktowe podgrzanie niewielkiej części (zwykle górnej) próbki. Po uruchomieniu fala reakcji egzotermicznej przechodzi przez pozostały materiał. SHS przeprowadzono również z cienkimi warstwami, cieczami, gazami, układami proszek-ciecz, zawiesinami gazowymi, układami warstwowymi, układami gaz-gaz i innymi. Reakcje prowadzono w próżni iw atmosferze gazów obojętnych lub reaktywnych. Temperaturę reakcji można moderować przez dodatek obojętnej soli pochłaniającej ciepło w procesie topienia lub odparowywania, np. chlorek sodu lub dodanie „pieca chemicznego” - wysoce egzotermicznej mieszaniny - w celu zmniejszenia stopnia chłodzenia.
Przykłady
Reakcja chalkogenków metali alkalicznych (S, Se, Te) i pniktydów (N, P, As) z innymi halogenkami metali prowadzi do powstania odpowiednich chalkogenków i pniktydów metali. Przykładem jest synteza azotku galu z trijodku galu i azotku litu :
- Gal3 + Li3N → GaN + 3 LiI
Proces jest tak egzotermiczny (ΔH = -515 kJ/mol), że LiI odparowuje, pozostawiając pozostałość GaN. Z GaCl 3 zamiast GaI 3 reakcja jest tak egzotermiczna, że produkt GaN ulega rozkładowi. Zatem wybór halogenku metalu wpływa na powodzenie metody.
Inne związki otrzymane tą metodą obejmują dichalkogenki metali, takie jak MoS2 . Reakcję prowadzi się w ze stali nierdzewnej z nadmiarem Na 2 S.
Samorozwijająca się synteza wysokotemperaturowa może być również prowadzona w sztucznym środowisku o dużej grawitacji w celu kontrolowania składu fazowego produktów.
SHS był używany do witryfikacji różnych strumieni odpadów jądrowych, w tym popiołów ze spalania, zużytych nieorganicznych wymieniaczy jonowych, takich jak klinoptylolit i zanieczyszczonych gleb.
Kinetyka reakcji
Ze względu na stały charakter procesów SHS, możliwe jest zmierzenie kinetyki reakcji in situ przy użyciu różnych technik eksperymentalnych, w tym między innymi wybuchu elektrotermicznego, różnicowej analizy termicznej , podejść do prędkości spalania. Badano różne systemy, w tym międzymetaliczne, termitowe, węgliki i inne. Za pomocą SHS wykazano, że wielkość cząstek ma znaczący wpływ na kinetykę reakcji. Wykazano ponadto, że efekty te są związane z zależnością między stosunkiem powierzchni do objętości cząstek oraz że kinetykę można kontrolować poprzez wysokoenergetyczne mielenie kulowe. W zależności od morfologii reagentów możliwe jest zainicjowanie reakcji SHS, w której faza ciekła występuje przed utworzeniem fazy lub bezpośrednie uzyskanie produktów w fazie stałej bez stopienia.
Linki zewnętrzne
- ISMAN O SHS
- o syntezie spalania opracowane przez ESA
- Combustion Synthesis Bentham Ebook autorstwa Maximiliana Lacknera
- [2] Materiały formowane przez SHS na potrzeby kolonii księżycowych.