“水热法”制备纳米材料：基本原理、注意事项、典型案例和原位研究

在微纳米材料的制备中，有一种“闷罐子里炼宝石”的方法格外神奇——这就是水热法。不需要高温煅烧，也不用剧烈搅拌，只需把反应物密封加热，一些结构精美、性能独特的纳米材料就“悄悄长大”了。

本文带你深入了解水热法的基本原理、操作注意事项、典型案例以及近年来快速发展的原位观测研究，全面掌握这一重要的材料合成技术。

什么是水热法？

水热法是一种在高温高压密闭环境中，以水或有机溶剂为介质促使反应物溶解、转化并结晶的合成方法。其名称中的“水热”，来源于实验环境本身——加热+溶剂（常为水）。

在反应过程中，随着温度升高，密闭容器中的压力不断升高，反应物在高温高压下发生溶解-运输-重结晶过程，从而得到粒径可控、分散性好的纳米晶或单晶材料。

这种方法尤其适合：

• 合成氧化物、难溶无机材料；
• 制备特殊结构/形貌的纳米晶；
• 生长低缺陷、定向性强的单晶材料。

图1 水热反应釜的基本结构

水热反应釜的正确打开方式

水热反应釜是水热实验中最核心的设备。实验室常见的小型高压釜多采用聚四氟乙烯内胆 + 不锈钢外壳结构，承压上限一般为3.0 MPa。

使用注意事项一览：

• 加热温度建议≤220℃，升/降温速率 ≤ 5℃/min；
• 釜内液体填充度 ≤ 80%，避免剧烈膨胀；
• 严禁带压拆卸，需自然冷却至室温后开盖；
• 禁止使用低沸点（如丙酮）、易燃、强毒性或易产气的溶剂；
• 每次实验后及时清洗，防止内胆腐蚀或变形。

小提示：若开盖困难，不要硬拧！多数是因为内胆热胀顶紧，可通过“控制盖紧程度”+“充分冷却”规避。

图2 水热反应釜 实物图片

水热法的独特优势

相比传统的固相反应或气相沉积等方法，水热合成具备多项独特优势：

1.温和条件：低温低压下即可进行复杂晶体的生长；

2.形貌调控强：可实现球、花、棒、片等多种形貌；

3.掺杂友好：有利于形成低价态、中间价态化合物；

4.高纯度、高结晶度：避免高温引入的杂质与缺陷；

5.适配性广：适合复合氧化物、金属、MOFs等多类材料。

 精选案例：科研圈里的“水热爆款”

1.Pt 纳米花

无模板、无表面剂条件下，通过调节还原剂速率，成功制得三维自组装 Pt 纳米花。

参考文献：Sci Rep. 2015, "Self-Assembled 3D Pt Nanoflowers"

图3  水热合成 Pt 纳米花

2.Fe₃O₄ 纳米粉体（10nm以下）

使用水热法合成磁性纳米粒子，粒径小、分散性好、磁性能优异。

参考文献：J Magn Mater. 2017

图4 水热法合成出的10nm左右Fe₃O₄纳米晶

3.类碳-银纳米电缆

蒋绪川团队通过调控十六烷基三甲基溴化铵和银的比例，获得壳层厚度可控的复合材料，在60℃条件下可进一步转变为类碳纳米管。

图5 水热法合成类碳-银纳米电缆的结构图

4.MOFs单晶合成

控制pH值、溶剂体系和温度，水热条件下可获得高质量、有序结构的有机-无机杂化框架。

图6 水热法合成MOFs的结构图

谁在引领水热法研究？

• 钱逸泰 院士：开创“有机相中无机合成”体系，用苯热合成GaN纳米晶、金刚石、碳纳米管等，发表于《Science》。

• 李亚栋、谢毅、俞书宏等教授也在合成策略与材料应用方面不断突破。

原位研究：打开黑箱，直击合成全程

以往水热实验往往“合了什么只能靠洗出来看”。而近年来，原位表征技术（in situ）让我们有机会实时观察晶体的生长过程。

主要手段包括：

• X射线衍射（EDXRD/ADXRD）：观察结构变化与相变；
• X射线吸收（XANES/EXAFS）：监测价态与局域结构；
• 小角散射（SAXS）：追踪晶粒尺寸与分布；
• 中子衍射与原位光谱（紫外、红外、拉曼）：从溶液到晶体过程一网打尽。

国际代表团队：O'Hare（牛津）、Iversen（丹麦）、Chen（BNL）；
国内代表性研究发表于《自然》《JACS》《Angew》等。

原位反应容器的设计

原位观测技术的关键是反应容器的设计，不同的原位测试手段需根据光源特性和方法特点设计专用反应容器。原位反应器要求具有以下特点：对X射线具有较高透过率、耐高压、耐腐蚀、可移动，同时具有较高的安全可靠性.一般的同步辐射光源可穿透的容器壁厚度有限，国际上多数课题组均采用毛细管作为微反应器，材质包括玻璃、熔融石英、蓝宝石、聚酰亚胺等。

图7 石英毛细管微反应器结构图

图8  Iversen等设计的原位反应器

对于日本、美国、欧洲等光束能量较高的同步辐射光源，主要采取EDXRD模式，可快速得到XRD谱图用于时间分辨的相转变分析，较高的能量使得可穿透的距离获得了大大提升。

图9  O’Hare课题组设计的用于水热反应原位研究的EDXRD原位反应器

图10 O’Hare等设计的置于英国Darebury同步辐射光源的EDXRD原位反应器

图11  O’Hare课题组设计的能量色散XRD原位反应器

展望未来：可视化+可控化

随着原位技术和反应器设计的不断进步，未来我们将能够精确监测和调控整个水热反应过程，实现从结构预测到定向合成的飞跃。

水热法，不再只是“密闭反应黑箱”，而是一条通向新材料、新结构、新性能的智能合成之路。

科学指南针试剂耗材商城，提供多类反应釜，可按需选购：

更多详细内容可咨询：王老师 - 13253631751 （同微信）