自己増殖高温合成

自己伝播型高温合成（SHS）は、異なる性質の固体中で発熱燃焼反応によって無機化合物と有機化合物の両方を製造する方法です。 [ 1 ]固体反応物と気体、液体、またはその他の固体の間で反応が起こります。反応物、中間体、および生成物がすべて固体である場合、固体炎と呼ばれます。[ 2 ]固体反応物と気相反応物の間で反応が起こる場合、浸透燃焼と呼ばれます。このプロセスは高温で起こるため、粉末、金属合金、セラミックスなどの耐火材料の製造に最適です。

現代のSHSプロセスは1971年に報告され特許を取得しましたが、[ 3 ] [ 4 ]、 SHSに似たプロセスは以前にもいくつか知られていました。

メリットとデメリット

自己増殖型高温合成（SHS）は、エネルギー効率に優れ、毒性溶媒をほとんど、あるいは全く使用しないグリーン合成技術です。環境分析の結果、SHSは従来の溶液相合成技術よりも環境への影響が少ないことが示されています。[ 5 ]この技術は材料製造に必要なエネルギーが少なく、合成バッチサイズが大きくなるにつれてエネルギーコストの節約効果も大きくなります。

SHSはナノ粒子の製造には適した技術ではありません。通常、このプロセスは高温であるため、反応中および反応後に粒子が焼結します。合成中に発生する高温は、エネルギー散逸や適切な反応容器の問題にもつながりますが、一部のシステムでは、この余剰熱を他のプラントプロセスの駆動に利用しています。

方法論

通常の形式では、SHS は、よく混合された微粉末状の反応物から開始して行われます。場合によっては、試薬は微粉末化されますが、他の場合には、表面積を最小限に抑えて危険な未開始の発熱反応を防ぐために焼結されます。 [ 6 ]また、粒子は、高エネルギーボールミル処理(例: 遊星ミル)などの技術を使用して機械的に活性化され、個々の化学セル内に両方の反応物を含むナノ複合粒子が生成されます。[ 7 ] [ 8 ]反応物を準備した後、サンプルの小さな部分 (通常は上部) を点加熱することで合成が開始されます。開始すると、発熱反応の波が残りの材料を席巻します。 SHS は、薄膜、液体、気体、粉体-液体系、ガス懸濁液、層状システム、ガス-ガスシステムなどでも行われています。反応は真空中、および不活性ガスと反応性ガスの両方の下で行われています。反応温度は、塩化ナトリウムなどの溶融または蒸発の過程で熱を吸収する不活性塩を添加したり、「化学オーブン」（非常に発熱性の高い混合物）を添加して冷却率を低下させることによって緩和することができる。[ 9 ]

例

アルカリ金属カルコゲニド（S、Se、Te）およびニクチド（N、P、As）と他の金属ハロゲン化物との反応により、対応する金属カルコゲニドおよびニクチドが生成される。[ 10 ]ヨウ化ガリウムと窒化リチウムからの窒化ガリウム の合成を例に挙げる。

GaI 3 + Li 3 N → GaN + 3 LiI

この反応は非常に発熱的（ΔH = -515 kJ/mol）であるため、LiIは蒸発し、GaNが残留します。GaI 3の代わりにGaCl 3を使用すると、反応は非常に発熱的となり、生成物であるGaNは分解します。したがって、金属ハロゲン化物の選択は、この方法の成功に影響を与えます。

この方法で製造される他の化合物には、 MoS 2などの金属二カルコゲニドが含まれる。反応はステンレス鋼反応器内で過剰量のNa 2 Sを用いて行われる。 [ 6 ]

自己増殖高温合成は、生成物の相組成を制御するために人工の高重力環境で行うこともできる。[ 11 ]

SHSは、焼却灰、クリノプチロライトなどの使用済み無機イオン交換体、汚染土壌など、さまざまな核廃棄物をガラス固化するために使用されてきた。[ 12 ]

反応速度論

SHSプロセスは固体であるため、電熱爆発、示差熱分析、燃焼速度法など、さまざまな実験技術を使用して反応速度論をその場で測定することができます。 [ 13 ]金属間化合物、テルミット、炭化物など、さまざまなシステムが研究されています。 SHSを使用すると、粒子サイズが反応速度論に大きな影響を与えることが示されました。[ 14 ]さらに、これらの影響は粒子の表面積と体積の比との関係に関連しており、高エネルギーボールミル処理によって速度論を制御できることが示されました。 [ 15 ]反応物の形態に応じて、相形成前に液相が発生するSHS反応を開始したり、溶融物なしに直接固相生成物を生成したりすることができます。[ 16 ]

参考文献

  1. ^「自己増殖型高温合成の簡潔な百科事典。歴史、理論、技術、製品」第1版、編集者：I.Borovinskaya、A.Gromov、E.Levashov他、出版社：Elsevier Science、2017年[1]
  2. ^ Mukasyan, Alexander S.; Shuck, Christopher E.; Pauls, Joshua M.; Manukyan, Khachatur V. (2018-12-02). 「固体炎現象：新たな視点」 . Advanced Engineering Materials . 174 ( 2–3 ): 677– 686. doi : 10.1016/j.cej.2011.09.028 .
  3. ^「耐火性無機化合物の高温自己増殖合成」AG Merzhanov、IP Borovinskaya。SSSR Doklady Akademii Nauk、第204巻、N 2、pp. 366-369、1972年5月
  4. ^ソ連特許第255221号、ビュル。イゾブル。第10号
  5. ^ Pini, Martina; Rosa, Roberto; Neri, Paolo; Bondioli, Federica; Ferrari, Anna Maria (2015). 「ボトムアップ加水分解法によるTiOナノ粒子の合成に関する環境アセスメント」. Green Chemistry . 17 (1): 518– 531. doi : 10.1039/C4GC00919C . hdl : 11380/1074899 .
  6. ^ a b Philippe R. Bonneau, John B. Wiley, Richard B. Kaner「二硫化モリブデンへのメタセシス前駆体経路」無機合成 1995年, 第30巻, pp. 33–37. doi : 10.1002/9780470132616.ch8
  7. ^ Mukasyan, Alexander S.; Khina, Boris B.; Reeves, Robert V.; Son, Steven F. (2011-11-01). 「機械的活性化とガスレス爆発：ナノ構造的側面」. Chemical Engineering Journal . 174 ( 2–3 ): 677– 686. Bibcode : 2011ChEnJ.174..677M . doi : 10.1016/j.cej.2011.09.028 .
  8. ^ Shuck, Christopher E.; Manukyan, Khachatur V.; Rouvimov, Sergei; Rogachev, Alexander S.; Mukasyan, Alexander S. (2016-01-01). 「固体炎：実験的検証」 .燃焼と炎. 163 : 487–493 . Bibcode : 2016CoFl..163..487S . doi : 10.1016/j.combustflame.2015.10.025 .
  9. ^ Kurbatkina, Viktoria; Patsera, Evgeny; Levashov, Evgeny; Vorotilo, Stepan (2018). 「超高温用途向けTa-Ti-C、Ta-Zr-C、およびTa-Hf-C炭化物のSHS処理および圧密化」 . Advanced Engineering Materials . 20 (8) 1701065. doi : 10.1002/adem.201701065 .
  10. ^ Richard G. Blair、Richard B. Kaner「固体メタセシス材料合成」 http://www.sigmaaldrich.com/sigma-aldrich/technical-documents/articles/chemfiles/solid-state-metathesis.html
  11. ^ Yin, Xi; Chen, Kexin; Ning, Xiaoshan; Zhou, Heping (2010). 「高重力条件下での元素粉末からのTi3SiC2/TiC複合材料の燃焼合成」アメリカセラミックス協会誌. 93 (8): 2182– 2187. doi : 10.1111/j.1551-2916.2010.03714.x .
  12. ^ MI Ojovan, WE Lee. 放射性廃棄物および有毒廃棄物の固定化のための自立型ガラス固化. ガラス技術, 44 (6) 218-224 (2003)
  13. ^ Mukasyan, AS; Shuck, CE (2017年9月23日). 「SHS反応の速度論：レビュー」.国際自己伝播高温合成ジャーナル. 26 (3): 145– 165. doi : 10.3103/S1061386217030049 . S2CID 139194446 . 
  14. ^ Hunt, Emily M.; Pantoya, Michelle L. (2005年8月). 「金属テルミットの着火ダイナミクスと活性化エネルギー：ナノスケールからミクロンスケールの微粒子複合材料まで」. Journal of Applied Physics . 98 (3): 034909–034909–8. Bibcode : 2005JAP....98c4909H . doi : 10.1063/1.1990265 .
  15. ^ Shuck, Christopher E.; Mukasyan, Alexander S. (2017年2月). 「反応性Ni/Alナノ複合体：構造特性と活性化エネルギー」. The Journal of Physical Chemistry A. 121 ( 6): 1175– 1181. Bibcode : 2017JPCA..121.1175S . doi : 10.1021/acs.jpca.6b12314 . PMID 28099018 . 
  16. ^ Mukasyan, AS; White, JDE; Kovalev, DY; Kochetov, NA; Ponomarev, VI; Son, SF (2010年1月). 「Al–Ni系における熱爆発時の相転移ダイナミクス：機械的活性化の影響」. Physica B: Condensed Matter . 405 (2): 778– 784. Bibcode : 2010PhyB..405..778M . doi : 10.1016/j.physb.2009.10.001 .
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Self-propagating_high-temperature_synthesis&oldid=1333493156」より取得