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の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生成する方法です。 ^[1]反応は、固体反応物とガス、液体、またはその他の固体の間で発生します。反応物、中間体、および生成物がすべて固体の場合、固体炎と呼ばれます。^[2]反応が固体反応物と気相反応物の間で発生する場合、浸透燃焼と呼ばれます。このプロセスは高温で発生するため、粉末、金属合金、セラミック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。

自己増殖型高温合成は、エネルギー効率が非常に高く、毒性溶媒をほとんど使用しないグリーン合成技術です。環境分析の結果、SHSは従来の溶液相処理技術よりも環境への影響が少ないことが示されました。^[5]この技術は材料の製造に使用する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が大きくなります。

SHS はナノ粒子の製造に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、この余剰熱を利用して他のプラント プロセスを駆動します。

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。試薬は微粉末にされる場合もあれば、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る場合もあります。 ^{[6]他の場合には、粒子は高エネルギー}ボールミル処理(例: 遊星ミル)などの技術によっ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) を点加熱することによって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全体に広がります。SHS は、薄膜、液体、気体、粉末-液体システム、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、および不活性ガスまたは反応性ガス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加えたり、非常に発熱性の高い混合物である「化学オーブン」を加えて冷却率を下げることによって緩和することができます。^[9]

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 の合成は、その例である。

GaI ₃ + Li ₃ N → GaN + 3 LiI

このプロセスは非常に発熱的であるため (ΔH = -515 kJ/mol)、LiI が蒸発して GaN の残留物が残ります。GaI ₃の代わりにGaCl ₃を使用すると、反応は非常に発熱的であるため、生成物 GaN が分解します。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します。

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ます。反応は、過剰のNa ₂ Sを含むステンレス鋼反応器で行われます。 ^[6]

自己増殖型高温合成は、生成物の相組成を制御するために人工的な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化するために使用されてきました。^[12]

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率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、溶融物なしで直接固相生成物を生成したりすることができます。^[16]

• ISMAN SHSについて
• ESAによる燃焼合成情報
• 燃焼合成ベンサム電子書籍（マクシミリアン・ラックナー著）
• [2] 月面コロニーのニーズに合わせてSHSが作成した資料。