I.4.1.1. Giới thiệu
Thuật ngữ “thủy nhiệt” xuất phát từ khoa học trái đất, bao gồm các phương pháp đòi hỏi sử dụng nước ở áp suất cao (từ 1atm đến hàng nghìn atm) và nhiệt độ cao (từ 100 oC -1000 oC) [54]. Đặc trưng của việc nghiên cứu thủy nhiệt cần một dụng cụ cho phép thực hiện phản ứng ở nhiệt độ cao, áp suất cao gọi là “ autoclave ” hay “ bombs ”. Hiện tại, có nhiều loại autoclave để đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các khoảng áp suất- nhiệt độ khác nhau.
Phương pháp thuỷ nhiệt tức là phương pháp dùng nước dưới áp suất cao và nhiệt độ cao hơn điểm sôi bình thường. Lúc đó nước thực hiện hai chức năng: thứ nhất vì nó ở trạng thái lỏng hoặc hơi nên đóng chức năng môi trường truyền áp suất, thứ hai nó đóng vai trò như một dung môi có thể hoà tan một phần chất phản ứng dưới áp suất cao, do đó phản ứng được thực hiện trong pha lỏng hoặc có sự tham gia một phần của pha lỏng hoặc pha hơi. Thông thường, áp suất pha khí ở điểm tới hạn chưa đủ để thực hiện quá trình này. Vì vậy, người ta thường chọn áp suất cao hơn áp suất hơi cân bằng của nước để tăng hiệu quả của quá trình điều chế. Nhiệt độ, áp suất hơi nước và thời gian phản ứng là ba nhân tố vô cùng quan trọng quyết định hiệu quả của phương pháp thủy nhiệt này. Cũng có thể sử dụng các dung môi phân cực như NH3, dung dịch nước chứa HF, CO2 hoặc các axit, bazơ khác để điều chỉnh pH hoặc các dung môi không phân cực để mở rộng khả năng ứng dụng của phương pháp tổng hợp này. Tuy nhiên, cách làm này có một nhược điểm là dễ làm cho nồi phản ứng bị nhiễm độc và ăn mòn. Thông thường, đối với mỗi loại tiền chất, người ta thường đặt sẵn các thông số vật lý và hóa học khác nhau trong suốt quá trình điều chế. Điều này tương đối phức tạp do các thông số này bị ảnh hưởng lẫn nhau và sự ảnh hưởng qua lại này vẫn chưa được giải quyết một cách thỏa đáng. Vì rằng các quá trình thuỷ nhiệt được thực hiện trong bình kín nên thông tin quan trọng nhất là giản đồ sự phụ thuộc áp suất hơi nước trong điều kiện đẳng tích (Hình I.13).
Hình I.13. Sự phụ thuộc áp suất hơi trong điều kiện đẳng tích
Thủy nhiệt là một trong những phương pháp tốt để điều chế vật liệu cấu trúc nano như: zeolit, mao quản trung bình (MQTB), nano titan đioxit và gần đây nhất là vật liệu khung hữu cơ kim loại.
I.4.1.2. Ưu điểm
Phương pháp thủy nhiệt có ưu điểm so với các phương pháp khác ở chỗ:
- Có thể điều chỉnh được kích thước, hình dáng, thành phần hóa học của hạt bằng điều chỉnh nhiệt độ, hóa chất ban đầu, cách thức thực hiện phản ứng.
- Là phương pháp tổng hợp ở nhiệt độ tương đối thấp, không gây hại môi trường vì phản ứng được tiến hành trong một hệ kín.
-Sản phẩm được hình thành trực tiếp từ dung dịch, sản phẩm có thể thu theo từng mẻ hoặc trong các quá trình liên tục.