Solvo e hidrotermal

El término "proceso hidrotermal/solvotermal" se define como la realización de reacciones químicas en disolventes contenidos en recipientes sellados en los que la temperatura de los disolventes puede llevarse a sus puntos críticos mediante el calentamiento simultáneo con presiones autógenas [1]. El proceso se denomina "hidrotermal" cuando se utiliza agua como disolvente. En algunos casos, este término también se utiliza para describir procesos realizados en condiciones ambientales. En aras de la clarificación, en este capítulo se hace referencia específica al enfoque que implica el agua como disolvente en el proceso hidrotermal; el término “proceso solvotermal” se utiliza cuando se utilizan compuestos orgánicos como disolventes. Los siguientes términos se usan comúnmente cuando se describen procesos solvotermales/hidrotermales:

• Precursores: reactivos en forma de soluciones, geles y/o suspensiones

• Mineralizantes: aditivos inorgánicos u orgánicos con altas concentraciones (por ejemplo, 10 M) para controlar el pH de las soluciones

• Aditivos: orgánicos o inorgánicos en concentraciones relativamente bajas, agregados para promover la dispersión de partículas o para controlar la morfología de los cristales

Una breve historia de la técnica hidrotermal/solvotermal

El surgimiento y desarrollo del proceso solvotermal/hidrotermal está íntimamente ligado al desarrollo de los nanomateriales. El primer informe sobre el proceso hidrotermal se remonta a mediados del siglo XIX, cuando se empleó para preparar partículas de cuarzo de tamaño submicrométrico a nanométrico. Sin embargo, la investigación y la aplicación del proceso hidrotermal en la síntesis de materiales se retrasó desde la década de 1840 hasta principios de la década de 1990 porque no se disponía de técnicas para caracterizar productos a nanoescala y, en cierta medida, porque el conocimiento de la química de la solución hidrotermal era insuficiente para realizar con éxito el control de crecimiento de los cristales. Las técnicas hidrotermales resurgieron en la década de 1990 junto con la revolución de los materiales a nanoescala y la aparición de microscopios de alta resolución a partir de la década de 1980. Simultáneamente, se lograron grandes avances en la comprensión de las propiedades químicas y físicas de los sistemas hidrotermales, lo que condujo al desarrollo del proceso solvotermal, en el que se introdujeron sustancias orgánicas como solventes en la fabricación de nanomateriales bien controlados. El proceso ha obtenido grandes éxitos en la fabricación de nanomateriales con control de cristalinidad, fase cristalina, morfología y tamaño, debido a sus ventajas sobresalientes, que incluyen baja temperatura de proceso, rendimiento de reacciones en ambientes líquidos, bajo consumo de energía y benignidad ambiental.

Instrumentos utilizados en procesos hidrotermales/solvotermales

La mayoría de las reacciones hidrotermales/solvotermales tienen lugar en un reactor sellado, conocido como autoclave, recipiente a presión o bomba de alta presión. En la mayoría de los casos, los reactores hidrotérmicos/solvotermales son autoclaves de metal con revestimiento de teflón o de aleación o que contienen una lata, un vaso de precipitados o un tubo adicionales hechos de teflón, platino, oro o plata para proteger el cuerpo del autoclave del solvente altamente corrosivo, que se encuentra retenido. a alta temperatura y presión. En algunos casos, se fija un manómetro Bourdon a los autoclaves para controlar directamente la presión, y los autoclaves están equipados con accesorios de agitación para minimizar el gradiente de concentración en su interior. Además, un autoclave hidrotérmico/solvotérmico ideal debería ser fácil de montar y desmontar, así como ser a prueba de fugas y tener una vida útil suficiente dentro del rango experimental de temperatura y presión. La figura 1 muestra el autoclave de uso general más popular utilizado en laboratorios. Los reactores comúnmente utilizados en procesos hidrotérmicos/solvotérmicos se enumeran con sus temperaturas y presiones operativas diseñadas inicialmente en la Tabla 1. Las condiciones de trabajo de los autoclaves varían para diferentes materiales, incluidos vidrio, cuarzo y aleaciones de alta resistencia. La temperatura, la presión y la resistencia a la corrosión de los materiales del reactor son los parámetros más importantes para la selección del reactor. Por seguridad, las presiones generadas en un recipiente sellado siempre deben estimarse y controlarse por debajo de la resistencia de los materiales del autoclave.

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