一种金刚石的合成方法技术

本发明专利技术涉及一种金刚石的合成方法，属于新材料及其应用技术领域。包括以下工艺：1）、混合，将金属有机化合物和/或配位化合物与助剂混合；2）、加热，对步骤1）所得的混合物进行加热；3）、分离纯化，将步骤2）得到的产物依次置于酸性和/或氧化性的溶液中回流，除去石墨烯微片和杂质，得到金刚石。本发明专利技术制作工艺简捷，在低温下合成金刚石，降低了设备的投资成本和运行成本，从而大大降低金刚石生产成本。

【技术实现步骤摘要】
一种金刚石的合成方法
本专利技术涉及一种金刚石的合成方法，属于新材料及其应用

技术介绍
人造金刚石用静态超高压(50～100kb，即5～10GPa)和高温(1100～3000°C)技术通过石墨等碳质原料和某些金属（合金）反应生成金刚石，其典型晶态为立方体(六面体)、八面体和六-八面体以及它们的过渡形态。在工业上显出重要应用价值的主要是静压熔媒法。采用这种方法得到的磨料级人造金刚石的产量已超过天然金刚石。此外，人造金刚石的方法还有外延法：利用热解和电解某些含碳物质时析出的碳源在金刚石晶种或某些起基底作用的物质上进行外延生长而成的。化学气相沉积法：碳氢化合物在一定的温度下分解，气相碳在基体上沉积，形成具有金刚石晶体结构的薄膜的工艺方法。物理气相沉积法：在真空条件下，采用低电压，大电流的电弧放电技术，利用气体放电使靶材蒸发并使被蒸发物（石墨）与靶材发生电离，利用电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物蒸发到工件上。外延法常用来合成大晶粒金刚石，化学气相沉积法常用来合成金刚石薄膜，物理气相沉积法常用来合成类金刚石薄膜。需要指出的是，人工合成金刚石需要超高压高温装置，如铰链式六面顶压机，两面顶压超高压装置，年轮式超高压高温装置，桶形金属压力容器（爆炸法）。由于制造成本的高昂和晶体尺寸及形状的限制，工业上主要应用于超级磨料。根据高压物理实验和理论分析，石墨转变为金刚石时，在没有金属(或合金)参与的情况下，需要13GPa的压力和2700K以上的高温。随着科学技术的发展，人们找到了一个更加切实可行的途径：添加金属(或合金)来促进非金刚石型碳向金刚石转变的过程，正是引进了金属(或合金)，大大降低了人工合成金刚石的压力和温度。由于有了金属(或合金)的作用，相应地使合成压力和温度降低到10GPa到4GPa的压力和1200℃左右范围或更低，压力、温度与选用的金属(或合金)的种类有关。金刚石的工业生产，面临的难题仍然是高温高压设备耗损严重的问题，解决这一问题的办法有两个：一个是提高高温高压设备的质量，但从解决这一问题的成本很高；另一个是进一步降低金刚石合成压力和温度，但适用于低温低压条件合成金刚石的催化剂未见报道。加入催化剂就能使我们有可能把人工合成金刚石的反应温度降低，随着反应温度的降低，当然相应的反应压力也可降低。催化剂设计的理论依据：1.结构适应原理：这表明结构因素在催化中起着很大的作用。现在大家公认，化学力作用力下进行的，这种化学力是一定长度(原子间)和能量(解离能)的化学键表示。由于化学力的作用范围小，原子只有在其彼此接触时才能相互作用，在反应过程中不是全部分子都参加反应大，而只有那些相互接触的个别原子起作用，在催化反应中，反应原子还应与催化剂接触。2.能量适应原理：在催化反应中，其能量适应原理是选择触媒剂的最重要依据。催化剂除了符合晶体结构适应的要求之外，须对反应分子具有吸附作用力，这化学作用吸附力不能太小，否则不能使欲断裂的化学键充分松弛;但又不能太大，否则产物不易解吸。3.中间络合物理论的基本内容是：假定催化剂参加反应与反应物生成不稳定的络合物。中间络合物容易形成，也容易分解。中间络合物形成使反应容易进行。我们知道，由石墨(A)直接转变成金刚石(B)的速度是很慢的。如果加入催化剂K，这一反应就大大加速，其原因是A与K结合生成了中间产物AK。石墨的原子(或者其中的几个)与催化剂的原子间所起的相互作用削弱了石墨内部各原子间的结合力。当吸附在催化剂上时石墨内部各原子之间的距离发生了改变，就出现了显著的分子变形，即处于吸附状态的石墨分子要比游离状态时容易起反应。能帮助破坏石墨晶格和建立金刚石晶格的催化剂有周期表第八族元素及Cr、Ta、Mn、Ge，以及以上元素的化合物如氧化镍、三氯化铁，CoFe6，CoMn13Ni12，NiMn，NiFe，NiCu，Ni80Cr20，Ni70Cr15Fe8，Ni70Mn25Co5等。几类非八族元素及其合金可做高温高压生长金刚石催化剂：第一类：复合催化剂，即形成碳化物元素(Ti、Zr、Hf、V、Nb、Mo、W)、加不能形成碳化物元素(Cu、Ag、Au)；第二类：Mg；第三类：包含氧的材料Li2CO3、Na2CO3、SrCO3、CaCO3、MgCO3、Na2SO4、MgSO4·2H2O、Mg(OH)2、Ca(OH)2·H2O;第四类：惰性元素P、Cu、Zn、Ge、Sn、Sb；第五类：含氢化合物LiH、CaH2。这些化合物做催化剂生长金刚石需要1870K以上温度，7.0GPa以上压力，不为工业生产采用。石墨烯具有理想的单原子层二维晶体结构，由六边形晶格组成，这种特殊的结构赋予了石墨烯材料独特的热学、力学和电学性能。目前，已经将石墨烯应用于锂离子电池电极材料、超级电容器、太阳能电池电极材料、储氢材料、传感器、光学材料、药物载体等方面，展示了石墨烯材料广阔的应用前景。外层电子形成sp2杂化的碳原子所形成的碳碳双键（C=C）是自然界最强的价键之一，根据其键能607KJ/mol和碳键的密度，计算出石墨烯的弹性模量为1Tpa(1TPa=103GPa=106MPa)。按照吉拉曼（Gilaman）固体材料理论固有强度的计算可得出，石墨烯的抗拉强度为180GPa。而一般的块状钢铁，包括各种不同牌号碳钢和不锈钢在内，其强度在0.78-1.68GPa之间,因此石墨烯的强度大约是普通钢铁的100多倍。“科学”杂志中的一篇论文（Science，18July2008.Vol.321.no.5887，pp.385-388，“MeasurementoftheElasticPropertiesandIntrinsicStrengthofMonolayerGraphene），作者为哥伦比亚大学的物理学学者ChangguLee，JamesHone等，他们对石墨烯的力学特性进行了较全面研究。为此，他们选取一些10-20微米的石墨烯作研究对象，先将这些石墨烯样品放在了一个表面钻有小孔的晶体薄板上，这些孔的直径在1-1.5微米之间。然后用金刚石制成的探针对放置在小孔上的石墨烯施加压力，测试它们的承受能力。结果发现，在石墨烯样品开始碎裂前，其每100纳米距离上可承受的最大压力达到了大约2.9微牛。据测算，这一结果相当于要施加55牛顿的压力才能使1米长的石墨烯断裂。如果能制取出厚度相当于普通食品塑料包装袋的（厚度约100纳米）石墨烯，那么需要施加差不多两万牛顿的压力才能将其扯断。综上，如果用石墨烯制成容器，用于人造金刚石，由于石墨烯容器的耐压特性，可以承受比现有人造金刚石装置大得多的压力，从而可以大大降低人造金刚石所需的温度。石墨烯材料的制备方法已报道的有：机械剥离法、化学氧化法、晶体外延生长法、化学气相沉积法、有机合成法和碳纳米管剥离法等。1、微机械剥离法2004年，Geim等首次用微机械剥离法，成功地从高定向热裂解石墨(highlyorientedpyrolyticgraphite)上剥离并观测到单层石墨烯。Geim研究组利用这一方法成功制备了准二维石墨烯并观测到其形貌，揭示了石墨烯二维晶体结构存在的原因。微机械剥离法可以制备出高质量石墨烯，但存在产率低和成本高的不足，不满足工业化和规模化生产要求，目前只能作为本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金刚石的合成方法，其特征在于包括以下步骤：1）、混合将金属有机化合物和/或配位化合物与助剂混合；2）、加热对步骤1）所得的混合物进行加热；3）、分离纯化将步骤2）得到的产物置于酸性和/或氧化性的溶液中回流，除去石墨烯微片和杂质，得到金刚石。

【技术特征摘要】
1.一种金刚石的合成方法，其特征在于包括以下步骤：1）、混合将金属有机化合物和/或配位化合物与助剂混合；2）、加热对步骤1）所得的混合物进行加热；3）、分离纯化将步骤2）得到的产物置于酸性和/或氧化性的溶液中回流，除去石墨烯微片和杂质，得到金刚石；步骤2）所述的加热过程中，加热温度控制在400℃至1000℃、压力控制在0.1至100MPa、加热时间10分钟至10小时；步骤3）所述的分离纯化步骤为：将步骤2）得到的产物冷却至室温，然后置于浓盐酸中回流，然后冷却至室温，离心分离取固体，洗至中性，再进行离心分离取固体，将得到的固体置于高氯酸中回流，直到瓶中黑色消失，回流结束后，待冷却至室温，离心分离取固体，并用去离子水洗至中性并烘干，即得金刚石。2.按照权利要求1所述的一种金刚石的合成方法，其特征在于步骤1）中所述的金属有机化合物为多金属氧酸盐有机化合物，所述的多金属氧酸盐为由前过渡金属离子通过氧连接而形成的一类多金属氧簇化合物。3.按照权利要求1所述的一种金刚石的合成方法，其特征在于步骤1）中所述助剂为碳酸盐，所述碳酸盐...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑宏伟，魏永革，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11