第3章+合成技术35新技术课件

第3章 合成化学3.5 3.5 新型合成技术新型合成技术3.5.1 微波辐射技术微波辐射技术3.5.2 等离子体技术等离子体技术3.5.3 激光技术激光技术3.5.4 溶胶凝胶合成法溶胶凝胶合成法3.5.5 水热与溶剂热合成法水热与溶剂热合成法第3章 合成化学 近代科学技术日新月异地发展，对材近代科学技术日新月异地发展，对材料不断提出新的要求，有的新技术在原理料不断提出新的要求，有的新技术在原理上和技术上虽然得出明确结论，却常因材上和技术上虽然得出明确结论，却常因材料没有得到解决而未能达到适用的目的。料没有得到解决而未能达到适用的目的。可以说，新材料是新技术的物质基础。可以说，新材料是新技术的物质基础。第3章 合成化学 新技术发展的需要促进了材料科学的发展，新技术发展的需要促进了材料科学的发展，反过来，新技术的发展又为新材料的合成创造反过来，新技术的发展又为新材料的合成创造了条件，特别是高温、低温、高压、高真空技了条件，特别是高温、低温、高压、高真空技术，激光技术、等离子体技术等的发展，为新术，激光技术、等离子体技术等的发展，为新化合物的合成及无机材料的高纯化、超细微化、化合物的合成及无机材料的高纯化、超细微化、薄膜化、非晶化、晶体完整化创造了良好条件，薄膜化、非晶化、晶体完整化创造了良好条件，使合成化学得到迅速发展。使合成化学得到迅速发展。第3章 合成化学3.5.1 微波辐射技术微波辐射技术 微波：波长为微波：波长为1m0.1mm的电磁波，其相应的频率的电磁波，其相应的频率范围是范围是300MHz3000GHz。微波是一种比较特殊的电磁。微波是一种比较特殊的电磁波段，它介于无线电波和红外辐射之间，但它们的产生、波段，它介于无线电波和红外辐射之间，但它们的产生、传输和应用原理却不同。传输和应用原理却不同。第3章 合成化学 微波技术在化学中的应用开辟了化学的新领微波技术在化学中的应用开辟了化学的新领域。微波化学是将微波辐射技术应用到化学领域域。微波化学是将微波辐射技术应用到化学领域所形成的一门新的交叉性学科。所形成的一门新的交叉性学科。1986年以来，微年以来，微波化学作为一门新型交叉学科正在兴起。波化学作为一门新型交叉学科正在兴起。1992年年在荷兰召开了首届国际微波学会议，会议就微波、在荷兰召开了首届国际微波学会议，会议就微波、化学的动力学原理，微波在化学工业、生物化学化学的动力学原理，微波在化学工业、生物化学中的应用进行了广泛的讨论。中的应用进行了广泛的讨论。第3章 合成化学 微波作为一种能源，正以比人们预料快得多微波作为一种能源，正以比人们预料快得多的速度步入化工、新材料及其它高科技领域，如的速度步入化工、新材料及其它高科技领域，如超导材料的合成，沸石分子筛的合成与离子交换，超导材料的合成，沸石分子筛的合成与离子交换，稀土发光材料的制备，超细粉末的制备，分子筛稀土发光材料的制备，超细粉末的制备，分子筛上金属盐的高度分散型催化剂制备，分析样品的上金属盐的高度分散型催化剂制备，分析样品的溶溶(熔熔)解，蛋白质水解，各种类型的有机合成及解，蛋白质水解，各种类型的有机合成及聚合物合成等领域。聚合物合成等领域。第3章 合成化学1.微波加热和加速反应机理微波加热和加速反应机理 实验表明实验表明:极性分子溶剂吸收微波而被快速加热，而非极性分子溶剂吸收微波而被快速加热，而非极性分子溶剂几乎不吸收微波，升温很小；极性分子溶剂几乎不吸收微波，升温很小；有些固体物质有些固体物质(如如Co2O3,NiO,CuO,Fe3O4,PbO2,V2O5,WO3,碳黑等碳黑等)能强烈吸收微波而迅速能强烈吸收微波而迅速被加热升温，而有些固体物质被加热升温，而有些固体物质(如如CeO2,CaO,Fe2O3,La2O3,TiO2等等)几乎不吸收微波，升温幅度几乎不吸收微波，升温幅度很小。很小。第3章 合成化学微波加热与传统加热方式不同微波加热与传统加热方式不同:微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引微波加热是材料在电磁场中由介质损耗而引起的体加热，微波进入到物质内部，微波场与起的体加热，微波进入到物质内部，微波场与物质相互作用，使电磁场能量转化为物质的热物质相互作用，使电磁场能量转化为物质的热能，温度梯度是内高外低；能，温度梯度是内高外低；传统的加热是热源通过热辐射、传导、对流传统的加热是热源通过热辐射、传导、对流的方式，把热量传递到被加热物质的表面，使的方式，把热量传递到被加热物质的表面，使其表面温度升高，再依靠传导使热量由外至内其表面温度升高，再依靠传导使热量由外至内传递，温度梯度是外高内低。传递，温度梯度是外高内低。第3章 合成化学 微波加热的显著特点是：物质总是处微波加热的显著特点是：物质总是处在微波场中，内部粒子的运动除遵循热力在微波场中，内部粒子的运动除遵循热力学规律之外，还受到电磁场的影响，温度学规律之外，还受到电磁场的影响，温度越高，粒子活性越大，受电磁场影响越强越高，粒子活性越大，受电磁场影响越强烈。烈。第3章 合成化学 反应体系中吸收微波能量的多少和快慢与反应体系中吸收微波能量的多少和快慢与分子的极性有关，极性分子由于分子内电荷不分子的极性有关，极性分子由于分子内电荷不平衡，才能在微波场中迅速吸收微波能量，而平衡，才能在微波场中迅速吸收微波能量，而非极性分子则不能吸收微波能量。非极性分子则不能吸收微波能量。所以，用微波辐射进行的化学反应必须有所以，用微波辐射进行的化学反应必须有极性环境（如极性溶剂或极性反应物等）才能极性环境（如极性溶剂或极性反应物等）才能实现提高反应速度的目的。此外，反应容器的实现提高反应速度的目的。此外，反应容器的大小、是否密封及反应物的体积等对反应速度大小、是否密封及反应物的体积等对反应速度都有影响。都有影响。第3章 合成化学 总之，微波作用于反应物后，加速了分总之，微波作用于反应物后，加速了分子运动速度，提高了分子的平均能量，即降子运动速度，提高了分子的平均能量，即降低了反应活化能，大大增加了分子的碰撞频低了反应活化能，大大增加了分子的碰撞频率，从而使反应迅速完成。这就是微波提高率，从而使反应迅速完成。这就是微波提高化学反应速度的主要原因。化学反应速度的主要原因。第3章 合成化学按照与微波作用的不同，物质可分为按照与微波作用的不同，物质可分为：导体导体 绝缘体绝缘体 电介质电介质 磁性化合物磁性化合物 大多数为金属，一般不能被加热，它们能够反射微波，所以微波炉的大多数为金属，一般不能被加热，它们能够反射微波，所以微波炉的内腔通常使用金属材料，利用微波在腔内的多次反射，提高相关吸收内腔通常使用金属材料，利用微波在腔内的多次反射，提高相关吸收效率。效率。可反射或使微波穿透，正常时它所吸收的微波功率极小，可忽略不计，可反射或使微波穿透，正常时它所吸收的微波功率极小，可忽略不计，如玻璃、陶瓷、云母、聚四氟乙烯、聚丙烯等都是良好的绝缘体，可用如玻璃、陶瓷、云母、聚四氟乙烯、聚丙烯等都是良好的绝缘体，可用这些材料作家用微波炉的炊具、支架及窗口材料等。这些材料作家用微波炉的炊具、支架及窗口材料等。性能介于金属材料和绝缘体之间，金属氧化物是最为重要的一类，在微性能介于金属材料和绝缘体之间，金属氧化物是最为重要的一类，在微波加热领域里，被加热的物质通常是能不同程度吸收微波的介质材料，波加热领域里，被加热的物质通常是能不同程度吸收微波的介质材料，即所谓的有耗介质即所谓的有耗介质(极性介质极性介质)。电介质材料能吸收微波这一特性使微波。电介质材料能吸收微波这一特性使微波可作为一种能源应用在工业、医疗、科研、家用及其他许多领域。可作为一种能源应用在工业、医疗、科研、家用及其他许多领域。性能类似于电介质，也能反射、吸收和穿透微波，因此许多磁性性能类似于电介质，也能反射、吸收和穿透微波，因此许多磁性材料也可用于微波加热。材料也可用于微波加热。第3章 合成化学第3章 合成化学第3章 合成化学2.沸石分子筛的微波合成沸石分子筛的微波合成 具有特定孔道结构的微孔材料，由于具有特定孔道结构的微孔材料，由于它们结构与性能上的特点，已被广泛应用它们结构与性能上的特点，已被广泛应用于催化、吸附及离子交换领域。于催化、吸附及离子交换领域。第3章 合成化学(b)(c)(a)分子筛晶穴结构示意图分子筛晶穴结构示意图 (a)A型型;(b)X、Y型型;(c)ZSM-5 笼笼笼笼八面沸石笼八面沸石笼第3章 合成化学10X MS第3章 合成化学 一般的合成方法是水热晶化法，此法耗能一般的合成方法是水热晶化法，此法耗能多，条件要求苛刻，周期相对较长，釜垢浪多，条件要求苛刻，周期相对较长，釜垢浪费严重，而微波辐射晶化法是费严重，而微波辐射晶化法是1988才发展起才发展起来的新的合成技术。来的新的合成技术。此法具有条件温和、能耗低、反应速度此法具有条件温和、能耗低、反应速度快、粒度均一且小的特点。快、粒度均一且小的特点。第3章 合成化学（1）NaA沸石的合成沸石的合成 A型沸石是目前应用很广泛的吸附剂，型沸石是目前应用很广泛的吸附剂，用于脱水、脱氨等，而且可以代替洗衣粉中用于脱水、脱氨等，而且可以代替洗衣粉中的三聚磷酸钠得到无磷洗衣粉而解决环境污的三聚磷酸钠得到无磷洗衣粉而解决环境污染问题。基于微波辐射晶化法其独特的优点，染问题。基于微波辐射晶化法其独特的优点，可用微波辐射法合成可用微波辐射法合成NaA沸石。沸石。第3章 合成化学 微波频率为微波频率为2450MHz，微波功率为，微波功率为650W，在，在10%50%微波档下辐射微波档下辐射520min。实验表明：。实验表明：当原料配比为：当原料配比为：1.55.0Na2O 1.0Al2O3 0.51.7SiO2 40 120H2O时能很好地得到时能很好地得到NaA沸沸石晶体；当石晶体；当H2O/Al2O3150时，出现无定形，无时，出现无定形，无NaA晶体；当晶体；当Na2O/Al2O38.0时，则全部生成羟时，则全部生成羟基方钠石；当基方钠石；当SiO2/Al2O3=2.0时，无时，无NaA晶体生成。晶体生成。第3章 合成化学 微波作用时间与微波功率有关，微波功微波作用时间与微波功率有关，微波功率越大，作用时间越短。在率越大，作用时间越短。在20%微波功率下作微波功率下作用用1520min，容易得到较高结晶度的，容易得到较高结晶度的NaA沸石；沸石；增大功率（如增大功率（如50%）则易出现羟基方钠石杂质。）则易出现羟基方钠石杂质。第3章 合成化学 搅拌和陈化时间长短是合成搅拌和陈化时间长短是合成NaA沸石的沸石的关键步骤。搅拌关键步骤。搅拌45min、不陈化，产物是无定、不陈化，产物是无定形；如果搅拌形；如果搅拌45min，并静置，并静置12h，再微波作用，再微波作用得到的产物有少量得到的产物有少量NaA晶体；如果搅拌晶体；如果搅拌12h、不、不陈化，可生成陈化，可生成NaA晶体，但结晶度不高，如果晶体，但结晶度不高，如果静置陈化静置陈化7h，可生成，可生成NaA晶体，大约有晶体，大约有50%的的结晶度，如果静置陈化结晶度，如果静置陈化12h，NaA晶体结晶度可晶体结晶度可达达95%。第3章 合成化学（2）NaX沸石的合成沸石的合成 NaX是低硅铝比的沸石，一般在低温是低硅铝比的沸石，一般在低温水热条件下合成。因反应混合物配比不同，水热条件下合成。因反应混合物配比不同，以及采用的反应温度不同，晶化时间为数小以及采用的反应温度不同，晶化时间为数小时至数十小时不等。时至数十小时不等。第3章 合成化学 微波辐射法合成微波辐射法合成NaX沸石是以工业水玻璃作硅源，以沸石是以工业水玻璃作硅源，以铝酸钠作铝源，以铝酸钠作铝源，以NaOH调节反应混合物的碱度。具体配调节反应混合物的碱度。具体配比比(摩尔比摩尔比)为为SiO2/Al2O3=2.3，Na2O/SiO2=1.4，H2O/SiO2=57。将反应物料搅拌均匀后，封在聚四氟乙烯反应釜中，将釜将反应物料搅拌均匀后，封在聚四氟乙烯反应釜中，将釜置于微波炉中接受辐射。微波炉功率置于微波炉中接受辐射。微波炉功率650W，微波频率，微波频率2450MHz，在，在13档下辐射约档下辐射约30min后，冷却，过滤，洗涤，后，冷却，过滤，洗涤，干燥得干燥得NaX分子筛原粉。分子筛原粉。若用同样配比的反应混合物，采用传统的电烘箱加热若用同样配比的反应混合物，采用传统的电烘箱加热方法，在方法，在100下晶化下晶化17h可得到可得到NaX分子筛。分子筛。第3章 合成化学（3）APO-5和和APO-C的合成的合成 磷酸铝系列分子筛是磷酸铝系列分子筛是20世纪世纪80年代由美国联合年代由美国联合碳化物公司（碳化物公司（UCC）开发的一类新型分子筛。在它）开发的一类新型分子筛。在它的骨架结构中，首次不出现硅氧四面体，从而打破的骨架结构中，首次不出现硅氧四面体，从而打破了沸石分子筛由硅氧四面体和铝氧四面体组成的传了沸石分子筛由硅氧四面体和铝氧四面体组成的传统观念。统观念。这一成果引起了沸石化学家们的极大兴趣，随这一成果引起了沸石化学家们的极大兴趣，随后，人们对此系列分子筛进行了大量的研究，其中后，人们对此系列分子筛进行了大量的研究，其中研究最多的是研究最多的是APO-5型分子筛。型分子筛。第3章 合成化学 AlPO4分子筛的合成一般采用水热晶化法。分子筛的合成一般采用水热晶化法。微波合成微波合成AlPO4分子筛是以分子筛是以H3PO4作磷源、作磷源、氢氧化铝作铝源，以氢氧四乙基铵或三乙胺作模氢氧化铝作铝源，以氢氧四乙基铵或三乙胺作模板剂，并以盐酸或氨水调节反应混合物的酸碱度。板剂，并以盐酸或氨水调节反应混合物的酸碱度。将一定量反应物料搅拌均匀后，装在封闭聚四氟将一定量反应物料搅拌均匀后，装在封闭聚四氟乙烯反应釜中，在乙烯反应釜中，在10%40%的微波功率下作用的微波功率下作用725min，得到，得到APO-5原粉。原粉。第3章 合成化学 在合成在合成APO-5过程中，当模板剂量降低，微波过程中，当模板剂量降低，微波功率降低，微波作用时间缩短时，则会生成功率降低，微波作用时间缩短时，则会生成APO-C分子筛。如反应混合物配比为：分子筛。如反应混合物配比为：(1.01.5)三乙胺三乙胺 1.0Al2O3 (1.2601.326)P2O5 (5070)H2O或或(0.360.65)(TEA)2O 1.0Al2O3 1.1P2O5(4060)H2O，在，在10%20%微波功率下作用微波功率下作用610min就会生成就会生成APO-C分子筛。分子筛。第3章 合成化学 总之，用微波辐射法合成沸石分子筛具有许总之，用微波辐射法合成沸石分子筛具有许多优点，如粒度小且均匀，合成的反应混合物配多优点，如粒度小且均匀，合成的反应混合物配比范围宽，重现性好，时间短等，预计这种新的比范围宽，重现性好，时间短等，预计这种新的合成方法能在快速、节能和连续生产分子筛，超合成方法能在快速、节能和连续生产分子筛，超微粒分子筛，以及在传统方法合成不出的一些分微粒分子筛，以及在传统方法合成不出的一些分子筛等方面会取得突破。子筛等方面会取得突破。第3章 合成化学3.微波辐射法在无机固相反应中的应用微波辐射法在无机固相反应中的应用（1）Pb3O4的制备的制备 Pb3O4属于四方晶系，是属于四方晶系，是Pb(II)、Pb(III)的混合价的混合价态氧化物，传统制备方法是把态氧化物，传统制备方法是把PbO在在470下小心加热下小心加热30h。用微波辐射法由用微波辐射法由PbO2出发制备出发制备Pb3O4，微波功率为，微波功率为500W，只需，只需30min就可定量地制备出就可定量地制备出Pb3O4。重要的是。重要的是PbO2强烈地吸收微波，而强烈地吸收微波，而Pb3O4不吸收微波，随着产物不吸收微波，随着产物的生成，体系温度下降，而不是升高，这样就可有选择的生成，体系温度下降，而不是升高，这样就可有选择地控制地控制PbO2的热分解反应，只生成的热分解反应，只生成Pb3O4，而不生成，而不生成PbO和金属铅。和金属铅。第3章 合成化学（2）碱金属偏钒酸盐的制备）碱金属偏钒酸盐的制备 制备碱金属偏钒酸盐的传统方法是制陶法，制备碱金属偏钒酸盐的传统方法是制陶法，反应式为反应式为:X2CO3+V2O5 2XVO3+CO2 (X=Li,Na,K)在称量前首先在在称量前首先在200预加热碱金属碳酸预加热碱金属碳酸盐盐2h，按计量称取干燥过的粉末与，按计量称取干燥过的粉末与V2O5充分研充分研磨混匀，混合物盛于铂坩埚中，慢慢升温到磨混匀，混合物盛于铂坩埚中，慢慢升温到700950，熔融烧结，熔融烧结1214h。第3章 合成化学 微波辐射法制备碱金属偏钒酸盐的步骤微波辐射法制备碱金属偏钒酸盐的步骤是：称取是：称取0.55.0g V2O5，与按化学计量的碱，与按化学计量的碱金属碳酸盐混合后在玛瑙研钵中研磨均匀，金属碳酸盐混合后在玛瑙研钵中研磨均匀，放入刚玉坩埚中置于家用微波炉中，在放入刚玉坩埚中置于家用微波炉中，在200500W微波功率下作用，制备微波功率下作用，制备LiVO3只只需需2min，制备，制备NaVO3只需只需3.5min，制备，制备KVO3只需只需6.5min。第3章 合成化学（3）CuFe2O4的制备的制备 CuFe2O4属于立方晶系，反应原料是属于立方晶系，反应原料是CuO和和Fe2O3，传统的方法制备，传统的方法制备CuFe2O4需需要要23h，用微波加热方法，在微波功率为，用微波加热方法，在微波功率为350W下，只需下，只需20min。第3章 合成化学 超导材料超导材料YBa2Cu3O7-x，用常规加热合成方法制，用常规加热合成方法制备需要备需要24h。若采用微波合成，将。若采用微波合成，将CuO，Y2O3和和Ba(NO3)2按一定的化学计量比混合，置入经过改装按一定的化学计量比混合，置入经过改装的微波炉内。在的微波炉内。在500W功率水平，辐射功率水平，辐射5min，所有，所有NO2气体释放出。物料经重新研磨，气体释放出。物料经重新研磨，130500W功率功率以上辐射以上辐射15min;再研磨，辐射再研磨，辐射25min。取样，经。取样，经XRD分析显示，产物的主要成分为分析显示，产物的主要成分为YBa2Cu3O7-x，其四方晶，其四方晶胞参数为胞参数为:a=b=0.3861(2)nm，C=1.1389(3)nm。这。这个四方结构按常规方式通过缓慢冷却，将转变为具有个四方结构按常规方式通过缓慢冷却，将转变为具有超导性质的正交结构。超导性质的正交结构。（4）超导材料的制备）超导材料的制备 第3章 合成化学 三元多晶半导体化合物铜铟硫三元多晶半导体化合物铜铟硫(CulnS2)和和铜铟硒铜铟硒(CuInSe2)是用于太阳能电池的特种材料。是用于太阳能电池的特种材料。传统上，它们是由元素单质在特制的反应传统上，它们是由元素单质在特制的反应容器内，经过长时间容器内，经过长时间(12h以上以上)高温燃烧合成制高温燃烧合成制得。而在微波辐射下，只用约得。而在微波辐射下，只用约3min便可合成便可合成CuInS2和和CuInSe2多晶体。多晶体。（5）太阳能电池材料的制备）太阳能电池材料的制备 第3章 合成化学上海交通大学吴省等：利用微波法合成上海交通大学吴省等：利用微波法合成TiO2纳纳米管，无机化学学报，米管，无机化学学报，2006，22(2)先分别制备了锐钛矿相和金红石相的先分别制备了锐钛矿相和金红石相的TiO2纳米粉体纳米粉体,粉体经过粉体经过110700 温度煅烧后温度煅烧后,得得到不同粒径的到不同粒径的TiO2 纳米粒子。纳米粒子。（6）TiO2纳米管的制备纳米管的制备 第3章 合成化学 再将一定量再将一定量TiO2 粉末放入装有粉末放入装有50 mL 10 molL-1 NaOH 溶液的聚四氟乙烯反应釜中溶液的聚四氟乙烯反应釜中,超声超声10 min 分散颗粒分散颗粒,然后将然后将反应釜置于带有回流装置的微波炉内反应釜置于带有回流装置的微波炉内,在微波功率在微波功率195W作作用下回流加热用下回流加热90 min,取出反应釜取出反应釜,分离出固体产物分离出固体产物,用去用去离子水洗涤至离子水洗涤至pH=7,过滤后真空干燥得到过滤后真空干燥得到TiO2纳米管。纳米管。第3章 合成化学 总之，利用微波辐射法进行固相反应总之，利用微波辐射法进行固相反应是一种新颖、快速的独特合成方法，预计是一种新颖、快速的独特合成方法，预计在材料科学及高科技领域会取得突破性进在材料科学及高科技领域会取得突破性进展，例如合成新型功能材料、非整比化合展，例如合成新型功能材料、非整比化合物，精细陶瓷的烧结等方面。物，精细陶瓷的烧结等方面。第3章 合成化学3.5.2 等离子体技术等离子体技术 等离子体合成也称放电合成，是等离子体合成也称放电合成，是20世纪世纪70年年代才迅速发展起来的。它是利用等离子体的特殊代才迅速发展起来的。它是利用等离子体的特殊性质进行化学合成的一种新技术。由于现代测量性质进行化学合成的一种新技术。由于现代测量技术的改善，人们对激发态的作用及等离子体与技术的改善，人们对激发态的作用及等离子体与固体表面间的相互作用都有了越来越深入的了解，固体表面间的相互作用都有了越来越深入的了解，等离子体化学已日趋成熟，它给无机合成化学、等离子体化学已日趋成熟，它给无机合成化学、有机合成化学及高分子合成化学，电子材料的加有机合成化学及高分子合成化学，电子材料的加工处理都开辟了新的领域。工处理都开辟了新的领域。第3章 合成化学3.5.2.1 等离子体的获得及分类等离子体的获得及分类 等离子体是宇宙中物质存在的一种状态。物质等离子体是宇宙中物质存在的一种状态。物质除固、液、气三态外，还有第四种聚集状态，即等除固、液、气三态外，还有第四种聚集状态，即等离子态。所谓等离子体就是气体在外力作用下发生离子态。所谓等离子体就是气体在外力作用下发生电离，产生电荷相反、数量相等的电子和正离子以电离，产生电荷相反、数量相等的电子和正离子以及游离基，由于在宏观上呈中性，故称之为等离子及游离基，由于在宏观上呈中性，故称之为等离子体。体。处于等离子态的各种物质微粒具有较强的化学处于等离子态的各种物质微粒具有较强的化学活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应。活性，在一定的条件下可获得较完全的化学反应。第3章 合成化学等离子体具有以下特点：等离子体具有以下特点：导电性导电性：因为等离子体中存在自由电子、正负离子，所：因为等离子体中存在自由电子、正负离子，所 以它具有良好的导电性，而普通气体则没有。以它具有良好的导电性，而普通气体则没有。电准中性：电准中性：等离子体中虽然存在很多的荷电粒子，但是等离子体中虽然存在很多的荷电粒子，但是 粒子所带正电荷数和负电荷数总是相等。粒子所带正电荷数和负电荷数总是相等。与磁场的可作用性：与磁场的可作用性：由于等离子体是由带电粒子组成的由于等离子体是由带电粒子组成的 导体，所以可用磁场控制其位置、导体，所以可用磁场控制其位置、形状、运动等；与此同时，荷电粒形状、运动等；与此同时，荷电粒 子集体运动的结果又可以形成电磁子集体运动的结果又可以形成电磁 场。场。第3章 合成化学等离子体的分类：等离子体的分类：高温等离子体（热等离子体）：高温等离子体（热等离子体）：低温等离子体（冷等离子体）：低温等离子体（冷等离子体）：压力大于压力大于1.33104Pa 压力小于压力小于1.33104Pa 第3章 合成化学等离子体的获得：等离子体的获得：高强度电弧高强度电弧(即电流即电流50A，气压，气压10kPa的电弧的电弧放电放电)；射频放电法；射频放电法；等离子体喷焰和等离子体炬。等离子体喷焰和等离子体炬。冷等离子体主要依靠低压放电获得，包括低强冷等离子体主要依靠低压放电获得，包括低强度电弧、辉光放电、射频放电和微波诱导放电等。度电弧、辉光放电、射频放电和微波诱导放电等。第3章 合成化学3.5.2.2 高温等离子体在合成化学中的应用高温等离子体在合成化学中的应用 高温等离子体由于温度很高高温等离子体由于温度很高(可达可达600010000 K)，复杂分子无法存在，一般都，复杂分子无法存在，一般都离解成了原子、离子等。所以，在无机合成离解成了原子、离子等。所以，在无机合成中不能用于制备低熔点、易挥发、易分解的中不能用于制备低熔点、易挥发、易分解的化合物。化合物。第3章 合成化学主要适用于：主要适用于：金属和合金的冶炼金属和合金的冶炼 超细、超纯、耐高温材料超细、超纯、耐高温材料(如氮化物、碳如氮化物、碳化物、硼化物、氧化物化物、硼化物、氧化物)的合成的合成 制备金属超微粒子制备金属超微粒子 喷涂防热防腐层等喷涂防热防腐层等 第3章 合成化学(1)金属冶炼金属冶炼 高温等离子体在冶金方面充分发挥了它的优越性，高温等离子体在冶金方面充分发挥了它的优越性，研究得最早，而且比较成熟的是等离子体炼铁。研究得最早，而且比较成熟的是等离子体炼铁。瑞典的瑞典的SKF钢厂已建成年产钢厂已建成年产7万吨等离子体冶炼万吨等离子体冶炼钛铁矿（钛铁矿（FeOTiO2）的装置。基本过程是将煤通过等）的装置。基本过程是将煤通过等离子体电弧，加热产生离子体电弧，加热产生7000的高温来还原铁矿石，的高温来还原铁矿石，得到高产优质的铁。得到高产优质的铁。日本用氢电弧等离子体还原铁矿石制得了高纯铁。日本用氢电弧等离子体还原铁矿石制得了高纯铁。第3章 合成化学等离子体冶炼金属的主要优点是：等离子体冶炼金属的主要优点是：能耗低、效率高。能耗仅为传统高炉冶金的能耗低、效率高。能耗仅为传统高炉冶金的75；能源选择灵活。用煤、煤气、油都可以，不能源选择灵活。用煤、煤气、油都可以，不一定用传统法中价格较贵的焦炭；一定用传统法中价格较贵的焦炭；在在7000的高温下可大大减少的高温下可大大减少SiO2、焦油和、焦油和CO的产生，这不但提高了产品质量，而且减少了的产生，这不但提高了产品质量，而且减少了环境污染。环境污染。第3章 合成化学 高温等离子体除用于炼铁外，还可用高温等离子体除用于炼铁外，还可用来制造合金，现已制备了铁来制造合金，现已制备了铁-铬、铁铬、铁-锰、锰、铁铁-钒等合金。钒等合金。第3章 合成化学(2)氧化物粉末的合成氧化物粉末的合成 高温等离子体制备氧化物，由于选用的原高温等离子体制备氧化物，由于选用的原料不同，所得产物性能也不尽相同。料不同，所得产物性能也不尽相同。瑞典的瑞典的SKF钢厂用等离子体冶炼钛铁矿，不钢厂用等离子体冶炼钛铁矿，不仅得到了纯铁，而且还得到了仅得到了纯铁，而且还得到了TiO2。此外，用功率此外，用功率1MW的等离子体炉热分解锆的等离子体炉热分解锆石英（石英（ZrSiO4），再用），再用NaOH溶液处理分解了的溶液处理分解了的粉末，即得粉末，即得ZrO2。其中。其中SiO2的含量低于的含量低于0.5%。第3章 合成化学 用旋转等离子体炉加热用旋转等离子体炉加热Al2O3(SiO2)和碳的混合和碳的混合物，气化了的物，气化了的AlO(SiO)与水蒸汽反应，可制得与水蒸汽反应，可制得Al2O3(Al2O3-SiO2)粉末。粉末。以以AlCl3(AlCl3+SiCl4)为原料与氧等离子体反应，为原料与氧等离子体反应，可制得烧结性好的可制得烧结性好的Al2O3(Al2O3-SiO2)粉末。粉末。把把SiCl4通入氧等离子体中，使生成的通入氧等离子体中，使生成的SiO2熔化，熔化，制得石英玻璃。该法制得的石英玻璃与氢氧焰法制得石英玻璃。该法制得的石英玻璃与氢氧焰法相比，含氢量低，是很好的光导纤维材料。相比，含氢量低，是很好的光导纤维材料。第3章 合成化学 以以TiCl4为原料与氧等离子体反应，生成的为原料与氧等离子体反应，生成的TiO2从高温骤冷（从高温骤冷（1628973K）下来，即得金红）下来，即得金红石型（高温稳定相）石型（高温稳定相）TiO2。与水溶液法制得的。与水溶液法制得的TiO2（锐钛矿型，低温稳定相）相比，不仅纯（锐钛矿型，低温稳定相）相比，不仅纯度高，而且有较好的耐高温和耐光性。度高，而且有较好的耐高温和耐光性。第3章 合成化学(3)碳化物、氮化物的合成碳化物、氮化物的合成 碳化物、氮化物和硼化物是重要的耐高温碳化物、氮化物和硼化物是重要的耐高温材料，传统的合成方法主要是用两种单质高温材料，传统的合成方法主要是用两种单质高温反应，或氮、碳、硼与有关元素的化合物反应，或氮、碳、硼与有关元素的化合物(主要主要是氧化物是氧化物)高温反应而制备，由这种高温法很难高温反应而制备，由这种高温法很难得到高纯、超细的产品，采用高温等离子体则得到高纯、超细的产品，采用高温等离子体则可克服这些缺点。可克服这些缺点。第3章 合成化学金刚砂金刚砂(SiC)第3章 合成化学 以三氯化硼、甲烷及氢为原料，制备碳化以三氯化硼、甲烷及氢为原料，制备碳化硼硼(B4C)，在氩气中生成等离子体，温度，在氩气中生成等离子体，温度500010000K，这时处于激发态的电子、离子及，这时处于激发态的电子、离子及自由基只需自由基只需10-610-3s即可完成反应。将其很快即可完成反应。将其很快淬火淬火(106Ks-1)至室温，产物形成晶核快而晶至室温，产物形成晶核快而晶体长大得慢，可以得到粒径体长大得慢，可以得到粒径10100 nm的超微粉的超微粉末。末。第3章 合成化学 美国美国Las A1amos国家实验室设计了一种可国家实验室设计了一种可以合成超细、超纯材料的新的射频等离子体以合成超细、超纯材料的新的射频等离子体(ICP)系统，利用如下三个反应：系统，利用如下三个反应：SiH4(g)十十CH4(g)SiC(s)十十4H2(g)3SiH4十十4NH3(g)Si3N4(s)十十12H2(g)2B2H6(g)十十CH4(g)B4C(s)十十8H2(g)第3章 合成化学 将反应物注入氩等离子将反应物注入氩等离子体炬，成功地合成了体炬，成功地合成了SiC、Si3N4、B4C等超细、超纯粉等超细、超纯粉末。由于采用射频放电，无末。由于采用射频放电，无电极污染，所以产物特别纯电极污染，所以产物特别纯净。整个装置可以连续运转净。整个装置可以连续运转许多小时，生产速率达许多小时，生产速率达100gh-1，制得的，制得的SiC颗粒颗粒大小在大小在1020nm。等离子体气等离子体气窗口窗口电感线圈电感线圈反应气体反应气体硬质玻璃硬质玻璃冷却室冷却室真空系统真空系统收集器收集器生产超微粉末的射频等离子体系统生产超微粉末的射频等离子体系统 第3章 合成化学以以TaCl4为原料与氮为原料与氮-氢等离子体反应，可得超氢等离子体反应，可得超细、高纯细、高纯TaN；以以TiCl4为原料与氢为原料与氢-甲烷等离子体反应，可得甲烷等离子体反应，可得产率产率92%的的TiC。第3章 合成化学(4)金属超微粒子的制备金属超微粒子的制备 高温等离子体制备金属超微粒子的特点是速度快、高温等离子体制备金属超微粒子的特点是速度快、纯度高。纯度高。例如，氩等离子体作用于金属，使之加热、熔融、例如，氩等离子体作用于金属，使之加热、熔融、蒸发，气化的金属原子在惰性气体中急冷，凝聚下来，蒸发，气化的金属原子在惰性气体中急冷，凝聚下来，即得金属超微粒子。即得金属超微粒子。已经制得了铁、银、镍、铝、铂等的超微粒子。已经制得了铁、银、镍、铝、铂等的超微粒子。第3章 合成化学(5)等离子体喷涂等离子体喷涂 氧化钛、氧化锆、硅酸铝等高熔点化氧化钛、氧化锆、硅酸铝等高熔点化合物，通常用作防热、防腐层，但用一般合物，通常用作防热、防腐层，但用一般方法难以将它们涂到其它材料表面上，用方法难以将它们涂到其它材料表面上，用等离子体喷涂则很容易。等离子体喷涂则很容易。第3章 合成化学 当把这些化合物粉料送入等离子体炉，当把这些化合物粉料送入等离子体炉，粉料很快被熔化，并以很高的速度从喷嘴喷粉料很快被熔化，并以很高的速度从喷嘴喷出而涂覆于材料表面，这样得到的涂层粘结出而涂覆于材料表面，这样得到的涂层粘结力强、质量高。力强、质量高。现已能喷涂大量氧化物、碳化物、氮化现已能喷涂大量氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物和高熔点金属等。物、硅化物、硼化物和高熔点金属等。第3章 合成化学3.5.2.3 低温等离子体在合成化学中的应用低温等离子体在合成化学中的应用 随着微电子学、集成光学、光通信、太随着微电子学、集成光学、光通信、太阳能利用等领域的大力开拓，材料的薄膜化阳能利用等领域的大力开拓，材料的薄膜化受到极大重视，促成各种金属、非金属和化受到极大重视，促成各种金属、非金属和化合物薄膜材料的沉积技术迅速发展，等离子合物薄膜材料的沉积技术迅速发展，等离子体化学的许多工作都与薄膜材料的制备和研体化学的许多工作都与薄膜材料的制备和研究有关。究有关。第3章 合成化学(1)氨的合成氨的合成 利用直流辉光放电，以利用直流辉光放电，以MgO作催作催化剂，可以在常温下由化剂，可以在常温下由N2、H2直接合直接合成成NH3。反应器为。反应器为160m1的封闭循环的封闭循环管，反应室上部装有钨丝电极，电源管，反应室上部装有钨丝电极，电源为可变高压直流电源。原料气是为可变高压直流电源。原料气是1 3的的氮气和氢气，反应室的初始气压为氮气和氢气，反应室的初始气压为103Pa，MgO重重0.8g，放电电流，放电电流6mA，生成的生成的NH3由液氮冷阱捕集。由液氮冷阱捕集。-H2/N2=3 1MgO玻璃毛玻璃毛等离子体技术合成氨的反应器等离子体技术合成氨的反应器 第3章 合成化学 日本用微波放电激发日本用微波放电激发N2和和H2，在约，在约105l06Pa条件下合成了氨。条件下合成了氨。等离子体法合成氨与传统的高温高压法相比等离子体法合成氨与传统的高温高压法相比有两大优点：有两大优点：省能源省能源(可节能可节能20)、效率高；、效率高；不需大量耐高温高压的设备。不需大量耐高温高压的设备。第3章 合成化学(2)BN的合成的合成 BN是一种电的绝缘体而同时却是热的是一种电的绝缘体而同时却是热的优良导体的材料，其导热性可与不锈钢相优良导体的材料，其导热性可与不锈钢相比，此外它的热压制品可进行车、铣、刨、比，此外它的热压制品可进行车、铣、刨、钻、磨等机械加工，是一种能加工的特殊钻、磨等机械加工，是一种能加工的特殊陶瓷，在陶瓷，在1000的空气中能保持稳定。的空气中能保持稳定。第3章 合成化学 工业上采用硼酸与氨在工业上采用硼酸与氨在8001200下反应而下反应而成。其反应式为：成。其反应式为：H3BO3+NH3 BN+3H2O 为了促进氮化反应，通常加入三磷酸钙。反为了促进氮化反应，通常加入三磷酸钙。反应结束后进行酸洗，经干燥得到纯度约应结束后进行酸洗，经干燥得到纯度约80%90%的的BN粉末。粉末。要得到要得到95%以上的高纯品可将粗以上的高纯品可将粗BN粉末在粉末在N2或或NH3的氛围中进行高温处理，或热分解硼酰亚的氛围中进行高温处理，或热分解硼酰亚胺胺B2(NH)3。第3章 合成化学 清华大学利用电弧等离子体一次制备出高纯六清华大学利用电弧等离子体一次制备出高纯六方方BN。电弧等离子体制备。电弧等离子体制备BN的反应为：的反应为：Na2B4O75H2O+2(NH2)2CO 4BN+Na2O+2CO2+9H2O 2500第3章 合成化学电弧等离子体制备电弧等离子体制备BN粉末的技术优点是：粉末的技术优点是：产品纯度高产品纯度高 出出炉炉料料即即达达95%的的纯纯度度，经经水水洗洗、酸酸洗洗后后，纯纯度度可可达达99.7%，而而常常规规生生产产的的产产品品只只能能达达到到80%90%的纯度。的纯度。第3章 合成化学 工艺流程大大简化工艺流程大大简化 硼硼砂砂脱脱水水混混料料压压块块等等离离子子体体加加热热出出料料清洗。清洗。而而常常规规法法中中，光光清清洗洗净净化化这这一一步步就就繁繁琐琐得得很很：先先将将粗粗BN在在1400通通入入NH324h，才才能能除除去去部部分分B2O3；如如用用N2纯纯化化，需需加加热热到到1900以以上上，经经过过15min，才能达到将，才能达到将B2O3由由10.7%降至降至3%。第3章 合成化学 利用高温除杂利用高温除杂 杂杂质质有有Na2O、未未反反应应的的硼硼砂砂、尿尿素素及及B2O3和和其其它它原原料料带带来来的的杂杂质质，但但它它们们的的沸沸点点大大多多小小于于2500，而而BN的的沸沸点点为为5067，熔熔点点为为3037，所以在，所以在2500反应即可除去所有杂质。反应即可除去所有杂质。第3章 合成化学(3)等离子体化学气相沉积等离子体化学气相沉积(PCVD)用等离子体技术使反应气体进行化学反应后，用等离子体技术使反应气体进行化学反应后，在基底上生成固体薄膜的方法称等离子体化学气在基底上生成固体薄膜的方法称等离子体化学气相沉积，它是在原来已成熟的薄膜技术中应用了相沉积，它是在原来已成熟的薄膜技术中应用了等离子体技术而发展起来的。近几十年来，等离子体技术而发展起来的。近几十年来，PCVD发展非常快，在半导体工业中，这种技术发展非常快，在半导体工业中，这种技术已成为大规模集成电路干式工艺中的重要环节。已成为大规模集成电路干式工艺中的重要环节。第3章 合成化学 与与CVD相比，相比，PCVD常能获得具有不同常能获得具有不同晶型、不同性能的薄膜材料。晶型、不同性能的薄膜材料。Si、Ge在熔融状态仍具有很高的配位数，在熔融状态仍具有很高的配位数，用熔融体骤冷法难以得到非晶态硅，而用用熔融体骤冷法难以得到非晶态硅，而用PCVD则易得到。则易得到。第3章 合成化学 平行平板等离子体装置中，电子撞击平行平板等离子体装置中，电子撞击SiH4气体解离成气体解离成SiH3、SiH2、Si，即在基板上，即在基板上析出析出-Si，其含氢量约，其含氢量约10%，这种非晶态的硅，这种非晶态的硅是太阳能电池的极好材料。是太阳能电池的极好材料。如果在如果在SiH4中掺入中掺入PH3和和B2H6，则可得，则可得到到n型和型和p型半导体薄膜材料。型半导体薄膜材料。利用利用PCVD已制备了非晶态已制备了非晶态Si、C、Ge、As等薄膜材料。等薄膜材料。第3章 合成化学 用用SiH4、NH3为工作气体，为工作气体，Ar作载体，高作载体，高频辉光放电，可以在基板上沉积出频辉光放电，可以在基板上沉积出Si3N4薄膜，薄膜，薄膜沉积时，基板温度低于薄膜沉积时，基板温度低于400。Si3N4薄膜已用作半导体器件的绝缘层，薄膜已用作半导体器件的绝缘层，此外由于此外由于Si3N4具有高的导热性、良好的机械具有高的导热性、良好的机械强度、硬度及良好的化学稳定性，还可用作强度、硬度及良好的化学稳定性，还可用作对金属的耐磨薄膜。对金属的耐磨薄膜。第3章 合成化学(4)金刚石的合成金刚石的合成 根据对碳的相图分析，金刚石也可在低温低压根据对碳的相图分析，金刚石也可在低温低压下形成。下形成。1971年开始研究用冷等离子体法合成金刚石；年开始研究用冷等离子体法合成金刚石；1976年采用直流等离子体法获得成功，后来还出年采用直流等离子体法获得成功，后来还出现射频等离子体法；现射频等离子体法；1980年出现微波等离子体法合成金刚石。年出现微波等离子体法合成金刚石。第3章 合成化学 这些方法都是用这些方法都是用CH4作原料，在低压作原料，在低压(0.131.33Pa)下工作，产物都是金刚石。下工作，产物都是金刚石。但往往同时有石墨析出，因此低温等离子体但往往同时有石墨析出，因此低温等离子体法合成金刚石面临的主要问题就是抑制石墨法合成金刚石面临的主要问题就是抑制石墨的析出。的析出。第3章 合成化学 1980年出现的微波等离子法在原料气中年出现的微波等离子法在原料气中引入一定量的引入一定量的H2，可以抑制石墨状碳的形，可以抑制石墨状碳的形成，石墨与氢生成碳氢化物，而使石墨重成，石墨与氢生成碳氢化物，而使石墨重新变成气体进入反应体系。新变成气体进入反应体系。第3章 合成化学CH4+H2接真空系统接真空系统基板基板活塞活塞石英管石英管波导波导微波发生器微波发生器2450MHz 微波等离子体合成金刚石的装置微波等离子体合成金刚石的装置 将振荡微波导入石英管中，将振荡微波导入石英管中，把基底板配置在支架上。在反应把基底板配置在支架上。在反应管内，管内，边注入高纯边注入高纯H2和和CH4，一边保持指定的压力，使之在基一边保持指定的压力，使之在基底周围产生放电等离子体。底周围产生放电等离子体。例如，当例如，当H2流速为流速为45 80 cm3min-1，CH4浓度为浓度为0.30.7、压力为压力为50105Pa，基底温度为，基底温度为850950时，在时，在Si、Mo、SiO2玻璃、玻璃、Al2O3和金刚石等基底上可和金刚石等基底上可析出金刚石。析出金刚石。第3章 合成化学(5)金属材料的表面处理金属材料的表面处理 改变金属材料表面性能的方法很多，等离子改变金属材料表面性能的方法很多，等离子体作用于金属表面，在金属表面形成稳定的化合体作用于金属表面，在金属表面形成稳定的化合物薄膜，以改变金属表面性能，是近年发展起来物薄膜，以改变金属表面性能，是近年发展起来的新技术。的新技术。微波放电产生的氧等离子体中存在着微波放电产生的氧等离子体中存在着O2-、O-等负离子，能在阳极上进行氧化。半导体工业生等负离子，能在阳极上进行氧化。半导体工业生产中，常用来对硅、铝和砷化镓表面进行处理，产中，常用来对硅、铝和砷化镓表面进行处理，生成相应的氧化物薄膜。生成相应的氧化物薄膜。第3章 合成化学 直流辉光放电产生的氮等离子体或氮直流辉光放电产生的氮等离子体或氮-氢等离子体中，存在着氢等离子体中，存在着N+、NH+等正离子，等正离子，将其作用于阴极上的钢，则生成一层白色的将其作用于阴极上的钢，则生成一层白色的氮化四铁氮化四铁(Fe4N)薄膜，覆盖在钢材表面，被薄膜，覆盖在钢材表面，被氮化了的钢表面的硬度为未氮化的氮化了的钢表面的硬度为未氮化的2倍。倍。目前此工艺已达到工业化规模。目前此工艺已达到工业化规模。第3章 合成化学 高频放电产生的氮等离子体在高频放电产生的氮等离子体在1600Pa的压的压力下对金属钛进行氮化处理，在力下对金属钛进行氮化处理，在1173K时生成时生成10nm的的TiN薄膜。薄膜。如用氮、氢等离子体，可加快化学反应速如用氮、氢等离子体，可加快化学反应速度，表面生成度，表面生成Ti-N-H薄膜，其硬度显著提高。薄膜，其硬度显著提高。同样的方法对金属锆表面进行氮化处理，同样的方法对金属锆表面进行氮化处理，可生成可生成ZrN，其硬度亦大大提高。，其硬度亦大大提高。第3章 合成化学 等等离离子子体体合合成成化化学学发发展展非非常常迅迅速速，但但目目前前有有关关基基础础研研究究还还十十分分薄薄弱弱，前前述述许许多多有有价价值值的的应应用用在在很很大大程程度度上上还还建建立立在在经经验验的的基基础础上上，有有关关工工作作还还散散见见于于各各种种文文献献。但但预预计计其其在在新新型型耐耐高高温温、超超硬硬、超超导导等等各各种种功功能能材材料料和和超超纯纯、超超导导材材料料的的合合成成，各各种种功功能能的的薄薄膜膜材材料料的的合合成成，及及贫贫矿矿的的冶冶炼炼，NH3、N2H4、O3及及其其它它无无机机化化工工原原料料、燃燃料料的的合合成成及及无无机机废废料料的的处理等方面，都将发展前景。处理等方面，都将发展前景。第3章 合成化学3.5.3 激光技术激光技术 激光是一种新型光源，激光是一种新型光源，1960年刚一出现便受年刚一出现便受到很大重视。近几十年来，激光技术发展很快，到很大重视。近几十年来，激光技术发展很快，已经广泛应用于工业、农业、国防、测量、通讯已经广泛应用于工业、农业、国防、测量、通讯及化学、医疗等科学领域中。随着激光技术的应及化学、医疗等科学领域中。随着激光技术的应用与发展，形成了一门崭新的边缘学科用与发展，形成了一门崭新的边缘学科激光激光化学。它和经典的光化学反应一样，是研究在光化学。它和经典的光化学反应一样，是研究在光子和物质相互作用的过程中，物质激发态的产生、子和物质相互作用的过程中，物质激发态的产生、结构、性能及其相互转化的一门学科。结构、性能及其相互转化的一门学科。第3章 合成化学3.5.3.1激光的产生及特点激光的产生及特点 人为地把材料中处于低能级的电子送到高人为地把材料中处于低能级的电子送到高能级上，并积累起来成为粒子反转分布，然后能级上，并积累起来成为粒子反转分布，然后再给高能级上的电子一个适当的激发力量，电再给高能级上的电子一个适当的激发力量，电子便会突然从高能级跃回到低能级，伴随着这子便会突然从高能级跃回到低能级，伴随着这种跃迁，原子会以光的形式释放能量，这种能种跃迁，原子会以光的形式释放能量，这种能量很大的光就是激光。量很大的光就是激光。第3章 合成化学激光与普通光不同，它具有以下三个特点激光与普通光不同，它具有以下三个特点:亮度高：亮度是评价光源的一个重要指标，根据光源亮度高：亮度是评价光源的一个重要指标，根据光源 不同，激光可比太阳光亮不同，激光可比太阳光亮1021011倍。倍。单色性好：单色性指光的纯度，即光的波长范围，亦单色性好：单色性指光的纯度，即光的波长范围，亦 即光子的能量分布。即光子的能量分布。方向性方向性(准直性准直性)好：指激光只向着一定方向发光，其好：指激光只向着一定方向发光，其 发散角只有发散角只有0.030.05度，几乎是度，几乎是 平行光。利用激光的方向性，可平行光。利用激光的方向性，可 实现微区域的高温化学反应。实现微区域的高温化学反应。第3章 合成化学3.5.3.2 激光催化及诱导化学反应激光催化及诱导化学反应（1）激光催化化学反应）激光催化化学反应 长期以来，化学家们致力于研究加快化学长期以来，化学家们致力于研究加快化学反应速度的问题。激光催化法是解决这一问题反应速度的问题。激光催化法是解决这一问题的有效方法之一，其效果远远超过加热作用，的有效方法之一，其效果远远超过加热作用，并且有可能超过其它催化剂。并且有可能超过其它催化剂。第3章 合成化学某些激光催化反应的效果某些激光催化反应的效果化学反应化学反应活化能活化能/kJml-1激光光子能量激光光子能量/kJml-1速率常数比值速率常数比值/k*k-1振动能利用率振动能利用率/%K+HClKCl+HO+HClOH+ClH+HClH2+ClNO+O3NO2+O2NO+O3NO2*+O2SO+O3SO2*+O2O2()+O3O+2O2Ba+O3BaO+O2Pb+O3PbO+O26.2818.8314.649.6217.5717.5734.7334.7334.4312.4712.4712.4712.4712.7412.741004103100176330510102034713485502710047606090第3章 合成化学(2)激光诱导化学反应激光诱导化学反应 有些化学反应，在常温常压下不能发生，但有些化学反应，在常温常压下不能发生，但在激光的作用下，能在常温常压下发生。在激光的作用下，能在常温常压下发生。例如，例如，BCl3和和H2S的反应。的反应。由由34W的的CO2激光器发射出的激光器发射出的10.55m的光的光子与子与BCl3中中B-Cl键振动频率一致，所以键振动频率一致，所以BCl3受激受激发，而发，而H2S对对CO2激光是透明的，这样激光是透明的，这样BCl3与与H2S的反应就可在常温常压下顺利进行：的反应就可在常温常压下顺利进行：第3章 合成化学 BCl3+H2S BCl3*+H2S BCl2SH+HCl其中其中BCl2SH很不稳定，进一步分解：很不稳定，进一步分解：3BCl2SH (BClS)3+3HCl (BClS)3 B2S+BCl3第3章 合成化学3.5.3.3 激光在合成化学中的应用激光在合成化学中的应用（1）合成精细陶瓷粉末）合成精细陶瓷粉末 美国麻省理工学院能量及材料加工实验室的美国麻省理工学院能量及材料加工实验室的J.Hagger等人，用等人，用CO2激光器激光器(1