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1、绿色无机合成本讲稿第一页，共十一页绿色合成及CVD绿色化学的理想在于不再使用有毒有害物质，不再产生废物，不再处理废物，是一门从源头上阻止污染的化学化学气相沉积法（CVD）是将含有组成材料的一种或几种化合物气体导入反应室，通过化学反应形成所需要的材料的方法。本讲稿第二页，共十一页绿色化学12条原则 原子经济性：合成方法应具有原子经济性：合成方法应具有“原子经济性原子经济性”，即尽量，即尽量使参加反应的原子都进入最终产物。使参加反应的原子都进入最终产物。绿色化学合成：在合成中尽量不使用和不产生对人类绿色化学合成：在合成中尽量不使用和不产生对人类健康和环境有毒、有害的物质。健康和环境有毒、有害的物质
2、。设计安全化学品：设计具有高使用功效和低环境毒性的设计安全化学品：设计具有高使用功效和低环境毒性的化学品。化学品。采用安全的溶剂和助剂：尽量不使用溶剂等辅助物质，采用安全的溶剂和助剂：尽量不使用溶剂等辅助物质，必须使用时应选用无毒、无害的。必须使用时应选用无毒、无害的。合理使用和节省能源：生产过程应该在温和的温度和合理使用和节省能源：生产过程应该在温和的温度和压力下进行，而且能耗应最低。压力下进行，而且能耗应最低。本讲稿第三页，共十一页绿色化学12条原则 利用可再生资源合成化学品：尽量采用可再生的原料，利用可再生资源合成化学品：尽量采用可再生的原料，特别是用生物质代替矿物燃料。特别是用生物质代
3、替矿物燃料。减少不必要的衍生化步骤：尽量减少副产品。减少不必要的衍生化步骤：尽量减少副产品。采用高选择性的催化剂。采用高选择性的催化剂。设计可降解化学品：化学品在使用完后应能够降解成设计可降解化学品：化学品在使用完后应能够降解成无毒、无害的物质，并且能进入自然生态循环。无毒、无害的物质，并且能进入自然生态循环。进行预防污染的现场实时分析：开发实时分析技术，以进行预防污染的现场实时分析：开发实时分析技术，以便监控有毒、有害物质的生成。便监控有毒、有害物质的生成。使用安全工艺：选择合适的参加化学过程的物质及生使用安全工艺：选择合适的参加化学过程的物质及生产工艺，尽量减少发生意外事故的风险。产工艺，
4、尽量减少发生意外事故的风险。本讲稿第四页，共十一页化学气相沉积法的原理 CVDCVD的化学反应主要有两种：一种是通过各种初始气体之间的反应来产生的化学反应主要有两种：一种是通过各种初始气体之间的反应来产生沉积；另一种是通过气相的一个组分与基体表面之间的反应来沉积。沉积；另一种是通过气相的一个组分与基体表面之间的反应来沉积。最典型的是浓度边界层模型（见图最典型的是浓度边界层模型（见图1 1），它比较简单地说明了），它比较简单地说明了CVDCVD工艺中工艺中的主要现象的主要现象成核和生长的过程。成核和生长的过程。图1浓度边界层模型示意图反应气体被强制导入系统；反应气体由扩散和整体流动穿过边界层；气
5、体在基体表面的吸附；吸附物之间或者吸附物与气态物质之间的化学反应；吸附物从基体解吸；生成气体从边界层到气流主体的扩散和流动；气体从系统中强制排出本讲稿第五页，共十一页 Xiang等1用 作为磷源，首次展示了用CVD法合成高质量的p型掺杂ZnO纳米阵列薄膜，见图2。这种p型ZnO阵列垂直生长在蓝宝石衬底上，石墨粉被用来将 还原为单质P蒸汽，也可以将原料ZnO还原为Zn蒸汽，反应如下：产物气液中将含有 和 ，同时由于 的高蒸汽压，气态的 也会随气流向蓝宝石衬底输送，因此 和 均能作为掺杂元素P的来源。这种p型ZnO纳米线可以作为基体来制造居里温度高于室温的一维稀磁性半导体（DMS)纳米结构。CVD
6、CVD法合成法合成p p型掺杂型掺杂ZnOZnO纳米线实例一纳米线实例一本讲稿第六页，共十一页图2 蓝宝石衬底生长的p型ZnO纳米线阵列本讲稿第七页，共十一页CVDCVD法合成法合成p p型掺杂型掺杂ZnOZnO纳米线实例二纳米线实例二Liu等用金属锌粉、石墨粉、NaCl作为原料，通过CVD途径首次合成了NaNa掺杂的单晶掺杂的单晶p p型型ZnOZnO纳米线。纳米线。三种固态粉末混合以后置于氧化铝坩埚中，用200目的铁筛盖上。在石英管中加热到950并同时通入夹带水蒸气的Ar气流。经过1h的生长，在Ar气的保护下冷却到室温，就可以在铁筛下表面得到高质量的p型ZnO纳米线。PL谱显示受体束缚激子
7、发射峰在3.35eV,载子迁移率为2.1本讲稿第八页，共十一页实例分析绿色化学是用化学的原理、技术和方法从源头上消除对人类健康、社区安全、生态环境有害的原料、催化剂、溶剂、反应产物和副产物等的使用和产生。它的基本思想在于不使用有毒、有害物质，不产生废物，是一门从源头上阻止污染的绿色与可持续发展的化学。化学气相沉积包括气体反应物在活性气氛（加热、光照、等离子体）下分解或者发生化学反应，然后形成稳定的固态产物。化学气相沉积可以用来合成和制备分体材料、块体材料、新晶体材料、陶瓷纤维、薄膜和镀层材料等。化学气相沉积是一种原子层次的沉积方法，因此可以在较低的温度下产生单层、多层、复合的、纳米结构的、功能
8、梯度的镀层材料，被广泛的应用在薄膜和镀层的制备上。本讲稿第九页，共十一页由上述分析及实例可以看出，实例一、二符合绿色化学原理，具体表现在：A:所用原料无毒无害B:气相沉积过程中可以有效防止废物的产生C:原子层次的沉积方法符合“原子经济性”原理D:实例一、二中用到的石墨粉（实例二中还用到NaCl）是对实验本身高功效并且低环境毒性的化学品E:实验步骤简单，易于操作，便于处理，充分利用原料（实例一中巧妙实现两种P源）F:实例一中并没有采用溶剂等辅助物质，实例二中虽然用到了NaCl和Ar气流，但也均是无毒无害的G:实验相对于一般的合成方法来说，反应条件比较温和，大大降低了能源消耗。从以上各点可以看出，以上两个实例通过运用绿色化学方法原理，合理有效地通过CVD方法完成了p p型掺杂型掺杂ZnOZnO纳米线的制备。纳米线的制备。本讲稿第十页，共十一页参考文献：Kelzenberg M D,Boettcher S W,Petykiewicz J A,et al.Nat Mater,2010,9(4):368.Xiang B,Wang P,Zhang X,et al.Prog Mater,2008,18(7):1020-1030Liu W,Xiu F,Sun K,et al.J Am Chem Soc,2010,132(8):2498-2499.本讲稿第十一页，共十一页