Самораспространяющийся высокотемпературный синтез - Self-propagating high-temperature synthesis

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез (SHS) - это метод получения как неорганический и органический соединения экзотермическими горение реакции в твердых телах различной природы.[1] Реакции могут происходить между твердым реагентом в сочетании с газом, жидкостью или другим твердым веществом. Если все реагенты, промежуточные продукты и продукты представляют собой твердые частицы, это называется твердым пламенем.[2]. Если реакция происходит между твердым реагентом и реагентом газовой фазы, она называется инфильтрационным горением. Поскольку процесс происходит при высоких температурах, метод идеально подходит для производства огнеупорных материалов, включая порошки, металлические сплавы или керамику.

О современном процессе СВС было сообщено и запатентовано в 1971 г.[3][4] хотя некоторые процессы, подобные СВС, были известны ранее.

Преимущества и недостатки

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез - это экологически чистый метод синтеза, который очень энергоэффективен и требует небольшого количества токсичных растворителей. Был проведен экологический анализ, чтобы показать, что СВС оказывает меньшее воздействие на окружающую среду, чем традиционные методы обработки в фазе раствора. [5]. Этот метод использует меньше энергии для производства материалов, и экономия энергии увеличивается по мере увеличения размеров партии синтеза.

СВС не подходит для производства наночастиц. Обычно высокотемпературный характер процесса приводит к спеканию частиц во время и после реакции. Высокие температуры, возникающие во время синтеза, также приводят к проблемам с рассеянием энергии и подходящими реакционными сосудами, однако некоторые системы используют это избыточное тепло для управления другими производственными процессами.

Методология

В обычном формате СВС проводят, исходя из тонкоизмельченных реагентов, которые тщательно перемешиваются. В некоторых случаях реагенты представляют собой мелкий порошок, в то время как в других случаях они спеченный для уменьшения площади их поверхности и предотвращения непроизвольных экзотермических реакций, которые могут быть опасными.[6] В остальных случаях частицы механически активируется с помощью таких методов, как высокая энергия шаровая мельница (например, в планетарной мельнице), что приводит к нанокомпозит частицы, содержащие оба реагента в отдельных химических ячейках.[7][8] После приготовления реагента синтез начинается путем точечного нагрева небольшой части (обычно верхней) образца. После запуска волна экзотермической реакции охватывает оставшийся материал. СВС также проводился с тонкими пленками, жидкостями, газами, системами порошок-жидкость, газовыми суспензиями, слоистыми системами, системами газ-газ и другими. Реакции проводились в вакууме как в инертных, так и в реактивных газах. Температуру реакции можно снизить, добавив инертную соль, которая поглощает тепло в процессе плавления или испарения, например хлорид натрия, или добавив «химическую печь» - сильно экзотермическую смесь - для уменьшения степени охлаждения[9].

Примеры

Реакция щелочного металла халькогениды (S, Se, Te) и пниктиды (N, P, As) с галогенидами других металлов образуют соответствующие халькогениды и пниктиды металлов.[10] Синтез нитрид галлия из трииодид галлия и нитрид лития является иллюстративным:

GaI3 + Ли3N → GaN + 3 LiI

Процесс настолько экзотермичен (ΔH = -515 кДж / моль), что LiI испаряется, оставляя остаток GaN. С GaCl3 вместо GaI3, реакция настолько экзотермична, что продукт GaN разлагается. Таким образом, выбор галогенида металла влияет на успех метода.

Другие соединения, полученные этим методом, включают дихалькогениды металлов, такие как MoS2. Реакция проводится в нержавеющая сталь реактор с избытком Na2С.[6]

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез также может проводиться в искусственной среде с высокой гравитацией для контроля фазового состава продуктов.[11].

СВС использовался для остекловывания различных потоков ядерных отходов, включая золу от сжигания, отработанные неорганические ионообменники, такие как клиноптилолит, и загрязненные почвы. [12].

Кинетика реакции

Благодаря твердотельному характеру процессов СВС, можно измерить кинетику реакции на месте с использованием различных экспериментальных методов, включая электротермический взрыв, дифференциальный термический анализ скорость горения приближается, среди прочего. [13] Было изучено множество систем, включая интерметаллиды, термиты, карбиды и другие. С помощью СВС было показано, что размер частиц оказывает существенное влияние на кинетику реакции. [14]. Далее было показано, что эти эффекты связаны с соотношением между отношением площади поверхности к объему частиц и что кинетикой можно управлять. через мельница с высокой энергией [15]. В зависимости от морфологии реагентов можно инициировать реакцию СВС, при которой жидкая фаза возникает до образования фазы, или непосредственно приводить к твердофазным продуктам без какого-либо расплава. [16]

Рекомендации

  1. ^ «Краткая энциклопедия самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. История, теория, технология и продукты». 1-е изд., Редакторы: И.Боровинская, А.Громов, Е.Левашов и др., Выходные данные: Elsevier Science, 2017 [1]
  2. ^ Мукасян, Александр С .; Шак, Кристофер Э .; Паулс, Джошуа М; Манукян, Хачатур В. (2018-12-02). "Феномен твердого пламени: новая перспектива". Передовые инженерные материалы. 174 (2–3): 677–686. Дои:10.1016 / j.cej.2011.09.028.
  3. ^ "Самораспространяющийся высокотемпературный синтез тугоплавких неорганических соединений", А.Г. Мержанов, И.П. Боровинская. Доклады Академии Наук СССР, т. 204, № 2, с. 366-369, май 1972 г.
  4. ^ Патент СССР № 255221, Бюл. Изобр. № 10
  5. ^ Пини, Мартина; Роза, Роберто; Нери, Паоло; Бондиоли, Федерика; Феррари, Анна Мария (2015). «Экологическая оценка восходящего гидролитического синтеза наночастиц TiO2». Зеленая химия. 17 (1): 518–531. Дои:10.1039 / C4GC00919C.
  6. ^ а б Филипп Р. Бонно, Джон Б. Вили, Ричард Б. Канер "Путь метатетических прекурсоров к дисульфиду молибдена" Неорганические синтезы 1995, том. 30. С. 33–37. Дои:10.1002 / 9780470132616.ch8
  7. ^ Мукасян, Александр С .; Хина, Борис Б .; Ривз, Роберт V .; Сын, Стивен Ф. (01.11.2011). «Механическая активация и безгазовый взрыв: наноструктурные аспекты». Журнал химической инженерии. 174 (2–3): 677–686. Дои:10.1016 / j.cej.2011.09.028.
  8. ^ Шак, Кристофер Э .; Манукян, Хачатур В .; Рувимов, Сергей; Рогачев, Александр С .; Мукасян, Александр Сергеевич (01.01.2016). «Solid-flame: экспериментальная проверка». Горение и пламя. 163: 487–493. Дои:10.1016 / j.combustflame.2015.10.025.
  9. ^ Курбаткина Виктория; Пацера, Евгений; Левашов, Евгений; Воротило, Степан (2018). «СВС-обработка и консолидация карбидов Ta – Ti – C, Ta – Zr – C и Ta – Hf – C для применения при сверхвысоких температурах». Передовые инженерные материалы. 20 (8): 1701065. Дои:10.1002 / adem.201701065.
  10. ^ Ричард Дж. Блэр, Ричард Б. Канер "Синтез твердотельных материалов для метатезиса" http://www.sigmaaldrich.com/sigma-aldrich/technical-documents/articles/chemfiles/solid-state-metathesis.html
  11. ^ Инь, Си; Чен, Кексин; Нин, Сяошань; Чжоу, Хэпин (2010). «Синтез горением композитов Ti3SiC2 / TiC из элементарных порошков в условиях высокой гравитации». Журнал Американского керамического общества. 93 (8): 2182–2187. Дои:10.1111 / j.1551-2916.2010.03714.x.
  12. ^ М.И. Охован, W.E. Ли. Самоподдерживающееся остекловывание для иммобилизации радиоактивных и токсичных отходов. Glass Technology, 44 (6) 218-224 (2003).
  13. ^ Мукасян, А. С .; Шак, К. Э. (23 сентября 2017 г.). «Кинетика СВС-реакций: обзор». Международный журнал самораспространяющегося высокотемпературного синтеза. 26 (3): 145–165. Дои:10.3103 / S1061386217030049.
  14. ^ Хант, Эмили М .; Пантойя, Мишель Л. (август 2005 г.). «Динамика воспламенения и энергии активации металлических термитов: от наночастиц до микрочастиц композитов». Журнал прикладной физики. 98 (3): 034909. Дои:10.1063/1.1990265.
  15. ^ Шак, Кристофер Э .; Мукасян, Александр Сергеевич (февраль 2017 г.). «Реактивные нанокомпозиты Ni / Al: структурные характеристики и энергия активации». Журнал физической химии A. 121 (6): 1175–1181. Дои:10.1021 / acs.jpca.6b12314. PMID  28099018.
  16. ^ Мукасян, А.С .; White, J.D.E .; Ковалев, Д.Ю .; Кочетов, Н.А .; Пономарев В.И.; Сын С.Ф. (Январь 2010 г.). «Динамика фазового превращения при тепловом взрыве в системе Al – Ni: влияние механической активации». Physica B: конденсированное вещество. 405 (2): 778–784. Дои:10.1016 / j.physb.2009.10.001.

внешняя ссылка