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化学气相迁移

/chemical vapor transport/
条目作者朱永春

朱永春

最后更新 2023-04-27
浏览 99
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一个共同特征的异相反应,凝聚态物质(通常是固体粉体)(A)本身挥发压力不足,但在气相反应剂(B)的存在下,B与A封闭在同一管子中,加热时B与A反应,生成气相的AB,当AB迁移至不同温度或压力的管子的另一处时,AB分解,A再以晶体的形式沉积,达到物质的提纯或改变物理状态(或二者兼有)的反应。

英文名称
chemical vapor transport
所属学科
化学

这种情况下,该固体被理解为二维或者三维无限态,如金属或者离子化合物而不是分子晶体。当结晶化外部条件与挥发点外部条件不同时,沉积就会发生,一般情况下是不同温度。

如果形成AB的反应是吸热反应,A晶体的生长就发生在冷端:


如果形成AB的反应是放热反应,A晶体的生长就发生在热端:


气相反应剂(B)主要包括:I2、Br2、Cl2、HCl、NH4Cl、H2、H2O、TeCl4、AlCl3、CO、S2

可控温区和温度梯度的反应炉。通常所用的管子是SiO2石英管,如果反应物不与金属反应,也可以用金属管。

该方法通常用来分离稀土或者制备纳米材料。在20世纪50~60年代,H.舍费尔[注]对化学气相迁移反应进行了系统的研究和描述。各种固体的纯净和结晶种类可以在化学迁移反应的帮助下形成:金属、非金属和金属间相,以及卤化物、硫族元素卤化物、硫族元素和许多其他物质。

单个平衡反应:


多个平衡反应:


另一种较为简单的情况属于自发迁移,类似于升华或分解升华的现象。然而,被迁移的固体本身并不产生有效的分压。MoBr3的结晶是自动迁移过程的一个例子。基于这个例子,可以用一般的示例来描述化学气相迁移的过程。化合物ABx(s)本身不能产生ABx(g)或A(g)+B(g)〔AB(g)+B(g)〕气体的有效分压。自动迁移的基础是两个共存的固相ABx(s)和ABx-n(s),以及通过分解反应生成的气相,形成的气态物质B在化学气相迁移反应中只生成气态产物ABx+n

只有满足以下两个条件时,迁移平衡才有效:一是B的分压必须足够高,二是迁移相ABx(s)必须保持平衡,因此ABx(s)不能完全分解。B代表气体分解产物。

化学气相迁移“水循环”法制备钨:


水合钨氧化物具有比纯氧化钨高得多的挥发性能,因此高温和湿氢还原具有最有利的化学气相迁移条件。水蒸气不仅能够将细颗粒钨粉氧化,而且能够生成较一般氧化钨挥发性更大的水合氧化钨,然后挥发至气相中,并在H2的还原作用下,再沉积在较粗的钨粉颗粒上,从而使钨粉颗粒进一步长大(见图),因此高温和湿氢有利于化学气相迁移。

化学气相迁移导致颗粒长大机制示意图化学气相迁移导致颗粒长大机制示意图

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