一种高温高压下钒掺杂和高含水锰铬铁矿单晶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高温高压下钒掺杂和高含水锰铬铁矿单晶的制备方法，以固态的玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体、固态的乙酸铬(III)氢氧化物结晶粉末、固态的双乙酰丙酮氧化钒(IV)粉末、固态的草酸粉末、固态的羟锰矿粉末、固态的氢氧化铬粉末和液态的稀硝酸作为起始原料制备出圆柱体锰铬铁矿样品；以重量比4:1的羟锰矿粉末和氢氧化铬粉末制作二片水源片；将两片水源片放置在圆柱体锰铬铁矿样品两端后一起放入内层套管为石墨管外层套管为金钯合金管的双囊结构实验样品仓中；进行高温高压反应得到锰铬铁矿单晶；解决了目前的高温高压条件下钒掺杂的和高含水的锰铬铁矿大颗粒单晶的制备技术空白。晶的制备技术空白。

【技术实现步骤摘要】
一种高温高压下钒掺杂和高含水锰铬铁矿单晶的制备方法


[0001]本专利技术属于矿物单晶样品合成的
，尤其涉及一种高温高压下钒掺杂和高含水锰铬铁矿单晶的制备方法。

技术介绍

[0002]在自然界中，根据占据尖晶石矿物(化学通式：AB2O4)所含的金属阳离子的晶格占位和对应的金属元素的化合价态，尖晶石族矿物一般分为两种最主要类型：2
–
3型结构尖晶石和4
–
2型结构尖晶石。譬如，在铬铁矿亚族尖晶石族矿物中，锰铬铁矿(晶体化学式：MnCr2O4)与铬铁矿(晶体化学式：FeCr2O4)、镁铬铁矿(晶体化学式：MgCr2O4)、钴铬铁矿(晶体化学式：CoCr2O4)和锌铬铁矿(晶体化学式：ZnCr2O4)并行成为五种最为常见的具有典型尖晶石结构的铬铁矿矿物。这一类型的铁铬铁矿的明显特征：占据尖晶石结构的四面体A位晶格位置，通常是具有正二价的阳离子(Mn
2+
、Fe
2+
、Mg
2+
、Co
2+
、Zn
2+
等)；而占据尖晶石结构的八面体B位晶格位置，通常是具有正三价的阳离子(Cr
3+
、Fe
3+
、Al
3+
、V
3+
等)，进一步前人的矿物物理学家亦将该类型的尖晶石定义为“A
2+
B
3+2
O
4”，即将其统称为2
–
3型结构尖晶石。除了2
–
3结构性尖晶石，还发现了占据尖晶石结构的四面体A位晶格位置，通常是具有正四价的阳离子(Si
4+
、Ge
4+
、Ti
4+
等)；而占据尖晶石结构的八面体B位晶格位置，通常是具有正二价的阳离子(Fe
2+
、Mg
2+
、Mg
3+
等)，进一步前人的矿物物理学家亦将该类型的尖晶石定义为“A
4+
B
2+2
O
4”，即将其统称为4
–
2型结构尖晶石。具有这种4
–
2型结构尖晶石，我们最为常见的赋存在地幔过渡带最重要的名义无水的含水造岩矿物
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林伍德石(晶体化学式：SiFe2O4或者SiMg2O4)。作为尖晶石族矿物的铬铁矿亚族的重要端元组分
–
锰铬铁矿，其晶体化学式为MnCr2O4，是富含锰的和富含铬的重要氧化物矿物。锰铬铁矿矿物学氧化物化学组成百分比可表示为：MnO/(MnO+Cr2O3)＝36.4％和Cr2O3/(MnO+Cr2O3)＝63.6％。由于锰铬铁矿中具有含量比较高的铬元素，锰铬铁矿是工业化制备铬的重要原料。通常，锰铬铁矿是自然界中典型的正尖晶石型结构的氧化物矿物，对应的单位晶胞中，具有反尖晶石型结构的锰铬铁矿所处的立方最紧密堆积占比为0，表现出极为明显的正尖晶石型结构的物理化学特性。
[0003]通常，自然界出露的天然锰铬铁矿，呈现出一种六边粒状的和棕灰色的半透明矿物，粒径可至10微米，可见于铁陨石、变质热液黄铁矿矿床延长的深裂缝的脉以及海底长英质火山作用下的变质铁硫化物矿床中。最新的国际宇宙航空研究开发机构发布的研究数据，来自隼鸟二号探测器抵达的小行星“龙宫162173”，返回地球的小行星“龙宫162173”号样品，发现了直径约为1.0纳米大小的锰铬铁矿矿物。来自全世界25个顶尖级地球与行星学研究的实验室，针对来自小行星“龙宫162173”号的平均粒径～100微米的350个样品颗粒，进行了共聚焦离子束扫描电镜(FIB
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SEM)、场发射扫描电镜(FE
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SEM)、矿物雷切尔超薄切片分析、透射电镜、同步辐射X射线衍射微结构、纳米拓扑学、微纳米表面原子探针等一系列高精度的和高分辨率的原位分析与精密测试，发现以副矿物形式存在的锰铬铁矿，与镁铬铁矿(晶体化学式：MgCr2O4)、铬绿(晶体化学式：Cr2O3)、羟基磷灰石(晶体化学式：Ca5(PO4)3(OH))、钛铁矿(晶体化学式：FeTiO3)、含铜的闪锌矿(晶体化学式：ZnS)、巴磷铁矿(晶体化
学式：(Fe,Ni)2P)、陨硫铬铁矿(晶体化学式：FeCr2S4)、铁橄榄石(晶体化学式：FeCr2S4)、镁橄榄石(晶体化学式：MgSiO4)、易变辉石(晶体化学式：(Mg,Fe,Ca)(Mg,Fe)[Si2O6])以及未定名的富钠的和富镁的磷化物等一系列的矿物相互伴生，其主要矿物包括蛇纹石、滑石、含铁硫化物、磁铁矿、白云石、铁菱镁矿等。尤为重要的是，隼鸟二号探测器带回来的样本中，还发现了氨气、甲烷、氢气、水、二氧化碳、肽、核糖、核酸碱基等多种生命形成所必需的物质，由此地外行星存在生命体的科学之谜被破解，已并不遥远。
[0004]钒元素，是位于第4周期和第VB族的过渡族金属元素，主要的化合价有0、+2、+3、+4和+5。在锰铬铁矿晶体结构中，过渡族稀土分散金属元素钒，很容易占据八面体位置，进而形成B位三价阳离子的类质同象替换。由于在锰铬铁矿晶体结构中，晶格位置的金属铬元素和掺杂的过渡族稀土分散金属元素钒，具有完全相同的正三价，因此该类质同象替换属于等价的类质同象替换。已有的地质资料研究结果，表明在澳大利亚南部谢菲德希尔地区出露的长英质火山喷发作用下的变质硫化铁矿床中，发现了自然界比较稀有的锰铬铁矿单晶矿物。光学显微观察结果表明，天然的锰铬铁矿矿物，其晶体颗粒尺寸约为80微米
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800微米，呈现出较为完好的晶体自形结构，它直接穿插在雌黄铁矿和脉石矿物之间。进一步，基于南澳地区出露的天然锰铬铁矿单晶X射线衍射结果，占据锰铬铁矿晶体的立方结构晶格骨架中的铬元素，常常被过渡族金属元素钒取代，进而形成沃钒锰矿(晶体化学式：(Mn,Fe)(Cr,V)2O4)。在地球上，钒矿产资源分布较为广泛，但非常分散，是一种典型的分布广泛的微量稀土金属元素之一。富含钒的主要矿石矿物包括：钒钛磁铁矿、铝土矿、硫酸盐岩、粉砂岩、磁铁矿和含铀砂矿，世界上已探明的98％钒金属的矿产资源储量，均来自钒钛磁铁矿矿物中。在地核中，钒元素，通常以金属钒形式存在的。除此之外，过渡族稀土分散金属元素钒，具有重量轻、延展性好、无磁性、难熔、难挥发、不易被氧化、质地坚硬等独特物理化学特性；作为合金添加剂，由于钒元素的加入，将会极大提升合金产品的耐高温性、抗腐蚀性、机械强度、机械韧性、抗震、屈服强度、弯曲性、延展性等优越性能，因此素有“现代工业的味精”、“金属维生素”、“化学面包”等多个美誉。尤其近些年，钒元素在冶金、新型轻质材料、航空发动机、航天飞行器、化学化工、特种钢、医药学、可再生能源储能等众多关乎国家经济发展命脉和国防科工业进步的重要领域中，均具有极为广泛的应用。
[0005]具有尖晶石结构的锰铬铁矿的分子结构中，并不含有水分子或者羟基，表现出明显的名义无水矿物性质。但是，前人关于高温高压条件下尖晶石红外光谱的水溶解度实验结果表明本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温高压下钒掺杂和高含水锰铬铁矿单晶的制备方法，其特征在于：所述方法为：以固态的玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体、固态的乙酸铬(III)氢氧化物结晶粉末、固态的双乙酰丙酮氧化钒(IV)粉末、固态的草酸粉末、固态的羟锰矿粉末、固态的氢氧化铬粉末和液态的稀硝酸作为起始原料制备出圆柱体锰铬铁矿样品；以重量比4:1的羟锰矿粉末和氢氧化铬粉末制作二片水源片；将两片水源片放置在圆柱体锰铬铁矿样品两端后一起放入内层套管为石墨管外层套管为金钯合金管的双囊结构实验样品仓中；进行高温高压反应得到锰铬铁矿单晶。2.根据权利要求1所述的一种高温高压下钒掺杂和高含水锰铬铁矿单晶的制备方法，其特征在于：玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体纯度>99.99％、固态的乙酸铬(III)氢氧化物结晶粉末纯度>99.99％、固态的双乙酰丙酮氧化钒(IV)粉末纯度>99.99％、固态的草酸粉末纯度>99.99％、固态的羟锰矿粉末纯度>99％、固态的氢氧化铬粉末纯度>99％和液态的稀硝酸浓度10％。3.根据权利要求1所述的一种高温高压下钒掺杂和高含水锰铬铁矿单晶的制备方法，其特征在于：圆柱体锰铬铁矿样品的制备方法为：步骤1、称量出浓度为10％的稀硝酸60毫升放入缺口烧杯中；步骤2、称量出5.0克固态的三角晶系菱形碳酸锰晶体放入缺口烧杯中，并放入磁力搅拌转子；步骤3、用玻璃表面皿将缺口烧杯盖上，放置在通风橱内的高温磁力搅拌热盘上，在常温和700转/分钟转速反应72小时；步骤4、按照锰铬铁矿Mn(Cr,V)2O4化学计量比，称量出17.4949克高纯度的固态乙酸铬(III)氢氧化物结晶粉末和135毫克高纯度的固态的双乙酰丙酮氧化钒(IV)粉末分别加入缺口烧杯内稀硝酸溶液中；步骤5、将缺口烧杯盖上玻璃表面皿；步骤6、缺口烧杯放置在通风橱内的高温磁力搅拌热盘上，在常温、800转/分钟转速搅拌48小时；步骤7、称量出2克高纯度的固态草酸粉末放入缺口烧杯；步骤8、将缺口烧杯再次放在通风橱的高温磁力搅拌热盘上，盖上玻璃表面皿，设置高温磁力搅拌热盘的条件参数为80℃、1000转/分钟转速搅拌36小时；步骤9、移除烧杯的玻璃表面皿，将高温磁力搅拌热盘温度调高至110℃，直至整个缺口烧杯内的混合溶液全部蒸干；步骤10、取出缺口烧杯内的磁力搅拌转子，并将表面粘合的粉末样品全部清理到烧杯里，将缺口烧杯内的混合粉末全部取出放在石墨坩埚中；步骤11、将装有混合物粉末的石墨坩埚借助于常压条件的马弗炉，以300℃/小时的升温速率，升高温度至1100℃，恒温5小时；步骤12、再以200℃/小时的降温速率，将马弗炉内内石墨坩埚中混合样品粉末降至室温；步骤13、将样品粉末置于刚玉研钵中研磨1小时得粉末实验样品；步骤14、将粉末实验样品用不锈钢压片机的碳化钨磨具冷压成Φ10.0mm
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3.0mm的样品圆片共3片；将冷压好的3片样品混合物垂直叠加在一起放置在石墨坩埚的底部；
步骤15、在石墨坩埚悬挂在高温氧气氛炉的正中间，连接石墨坩埚的铂铑金属丝两端固定在竖直的四孔氧化铝管上，四孔氧化铝管上端固定在可以放入和拉出炉体的圆盖子的正中间；步骤16、在高温氧气氛炉侧面放置一个盛有二次去离子纯净冷水的不锈钢容器；步骤17、在高温氧气氛炉炉体的最顶端与氩气惰性气体钢瓶、比例可调的一氧化碳和二氧化碳钢瓶相互连通；步骤18、...

【专利技术属性】
技术研发人员：代立东，胡海英，
申请(专利权)人：中国科学院地球化学研究所，
类型：发明
国别省市：