Hydrothermalsynthese

Hydrothermalsynthese, auch als hydrothermale Synthese bezeichnet, ist ein Verfahren zur Herstellung von anorganischen Materialien durch Kristallisation aus wässrigen Lösungen bei hohen Temperaturen und Drücken in geschlossenen Reaktoren (Autoklaven). Sie wird eingesetzt, um Kristalle, Nanomaterialien und Phasen zu erzeugen, die durch konventionelle Lösungen oder Schmelzprozesse schwer zugänglich sind.

Das Prinzip beruht auf dem Gleichgewicht von Löslichkeit, Temperatur und Druck in der wässrigen Phase. Unter erhöhtem Druck ändert Wasser seine Eigenschaften, was das Kristallwachstum begünstigt. Mineralizerien wie NaOH oder CO3^2- regulieren die Löslichkeit bestimmter Spezies. Hydrothermalsynthese ist eng mit dem solvothermalen Ansatz verwandt, unterscheidet sich aber meist durch das Lösungsmittel (Wasser gegenüber organischen Lösungsmitteln).

Typischer Ablauf: Vorläuferstoffe gelangen in einen Reaktor mit Wasser, der verschlossen und auf hohe Temperatur (typisch 100–600 °C) und Druck (mehrere MPa) erhitzt wird. Nach Reaktionszeit von Stunden bis Tagen erfolgt Abkühlung, Produkt wird gewaschen und getrocknet. Durch Variation von Temperatur, Druck, pH und Reaktionsdauer lassen sich Phasen, Kristallstruktur und Morphologie steuern.

Anwendungsgebiete umfassen Oxide (ZnO, TiO2), Quarz, Zeolithe, Phosphate, Silikate, Perowskite sowie Nanorod- und Nanowir-Strukturen. Hydrothermale Bedingungen ermöglichen metastabile Phasen und kontrollierte Morphologien bei moderaten Temperaturen.

Vorteile dieser Methode sind gute Kontrolle über Morphologie und Phase, oft geringere Temperaturen als Festkörperreaktionen und Eignung für die Skalierung in der Chemie- und Materialwissenschaft. Einschränkungen umfassen den Bedarf an Hochdruckausrüstung, längere Reaktionszeiten und mögliche Kontamination durch Mineralizer; außerdem besteht begrenzte Kompatibilität mit wasserempfindlichen Substanzen.