2005Fall09第九章微波与等离子体合成.pptVIP

第九章 微波与等离子体合成 微波辐射法在无机合成中的应用； 微波等离子体化学。 微波 定义：通常是指波长为1m – 0.1mm范围内的电磁波，相应频率范围是300MHz – 3000GHz。 雷达：1 ~ 25 cm； 通讯：其它波长； 加热 微波与材料的相互作用 根据材料对微波的反射和吸收的情况不同可以分为四种类型： 良导体 —— 金属物质，能反射微波，可用作微波屏蔽，也可用于传播微波能量（如黄铜或铝波导管）； 绝缘体 —— 玻璃，云母，部分陶瓷材料等，可以被微波穿透，几乎不吸收微波能量； 微波介质 —— 能够不同程度地吸收微波能而被加热，特别是含水物质吸能升温效果明显； 磁性化合物 —— 微波加热效果主要来自交变电磁场对材料的极化作用。交变电磁场使材料内部的偶极子反复调转，产生更强的振动和摩擦，使材料升温。 1. 微波辐射法在无机合成中的应用 1986年，Gedye等人首次将微波技术应用于有机合成； 1988年，Baghurst和Mingos等人首次用微波法进行无机化合物和超导陶瓷材料的合成，以及之后进行的有机金属化合物、配合物、嵌入化合物的合成。 1.1 微波加热和加速反应机理 微波加热原理：介质材料一般可分为极性材料和非极性材料。在微波电磁场作用下，极性分子从原来的热运动状态转向依照电磁场的方向交变而排列取向，产生类似摩擦热，在这一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质内的热能，使介质温度出现宏观上的升高，这就是对微波加热，即微波加热是介质材料自身损耗电磁场能量而发热。 金属材料 —— 电磁场不能透入内部而是被反射出来，所以金属材料不能吸收微波； 水 —— 吸收微波最好的介质，所以凡含水的物质必定吸收微波。 微波加热的特点 1.2 沸石分子筛的合成 沸石分子筛： 合成方法 NaA沸石的合成 A型沸石：吸附剂，用于脱水、脱氨等等，可用于制备无磷洗衣粉。 微波辐射合成条件：2450 MHz，65 ~ 325 W，5 ~ 20 min； 合成产物相与原料配比密切相关； 提高微波功率可以缩短辐射时间； 原料化合物的搅拌和陈化对产物相有关键影响。 NaX沸石的微波合成 NaX沸石：低硅铝比八面体结构，一般在低温水热条件下合成，晶化时间为数小时至数十小时。 微波辐射合成条件： 2450 MHz，65 ~ 195 W，30 min； 优势： 节省时间； 降低能耗。 APO-5和APO-C的微波合成 磷酸铝分子筛： 合成方法： 水热法； 微波法 1.3 沸石分子筛的离子交换 在微波作用下，水分子和稀土离子比使用一般加热方法时运动速率更快，动能更大，离子能够进入到较难交换的位置，离子交换更为充分； 微波作用下，离子交换量更大； 微波作用下，离子交换速率更快。 1.4 微波辐射法在无机固相反应中的应用 微波辐射法：直接穿透样品，实现体加热 —— 热能利用率50 ~ 70％ Pb3O4的制备 —— 碱金属偏钒酸盐的制备： 传统方法：碱金属碳酸盐200℃预热2h，混料，700~950℃，12~14h； 微波辐射法：200~500 W，数分钟； CuFe2O4的制备 La2CuO4的制备 YBa2CuO7的制备 稀土磷酸盐发光材料的微波合成 原料：以稀土离子磷酸盐为基质，某些稀土元素为激活剂； 合成： 1.5 多孔晶体材料上无机盐的高度分散 目的：使催化剂在高比表面积的载体上充分分散。 CuCl2 / NaZSM-5的制备： 常规方法：在某温度下加热数小时或数十小时完成反应； 微波法：家用微波炉6 ~ 10 min。 微波法的优势： 可以获得高负载量的CuCl2； 制备时间显著缩短； 工艺过程简单。 1.6 微波自蔓延燃烧合成（微波烧结） 定义：用微波辐射来替代传统热源，均匀混合的物料或预先成型的坯料通过自身对微波能量的吸收达到一定高的温度，引发燃烧反应或完成烧结过程。 特点： 采用微波辐射，样品温度迅速达到起火点，并能够保证反应在足够高的温度下进行，反应时间短； 通过调整反应参数，可以人为控制燃烧波的传播。 2 微波等离子体化学 等离子体 —— 物质的第四态 获得方法 微波等离子体的优势 属于无电极放电，不存在电极污染问题； 电离度高，电子浓度大，电子和气体的温度比 Te / Tg 很大，即电子动能很大而气体分子温度较低 —— 适合于非若稳定物种的合成，高温物质的制备，在温和条件下完成通常需要高温高压的反应； 与其它方法相比对同种气体放电时的谱带更宽 ——增强气体分子的激发、电离和离解，自由基寿命更长； 可以把等离子体封闭在特定空间 —— 使加工区域与放电空间分离； 微波放电能导致电子回旋共振，增加放电频率，提高工艺质量。 2.1 微波等离子体