一种单晶二维纳米金刚石的表面净化工艺制造技术

本发明专利技术涉及一种单晶二维纳米金刚石的表面净化工艺，包括以下步骤：1)纳米金刚石物料先用浓硫酸、浓硝酸和高锰酸钾的混合液进行清洗，清洗温度为220℃

【技术实现步骤摘要】
一种单晶二维纳米金刚石的表面净化工艺


[0001]本专利技术涉及材料表面处理工艺
，具体为一种单晶二维纳米金刚石的表面净化工艺。

技术介绍

[0002]金刚石是一种由碳元素组成的矿物，是石墨的同素异形体，是自然界中天然存在的最坚硬的物质，钻石也是金刚石中的一种。目前工业级金刚石(人造金刚石)主要是HPHT方法合成的，即石墨和金属触媒在高温高压下将石墨转换形成金刚石。
[0003]纳米金刚石首先首先用炸药爆轰法合成的，并得到了可重复性的实验结果。该制备工艺的原理是在负氧平衡条件下炸药(TNT和RDX)在一个充满惰性介质密封容器中爆炸产生的瞬间的高温高压，将炸药中的游离碳原子重新排布聚集从而形成了纳米金刚石。这种纳米金刚石是一种多晶结构的纳米金刚石，团聚性严重，无法进行有效地分散，且纯度低，杂质含量高，目前最高纯度在97％左右。
[0004]单晶二维纳米金刚石与爆轰法纳米金刚石相比是一种新型的纳米金刚石，其形貌是一种二维厚片状结构，纳米金刚石相对于金刚石微粉来说，粒度约为金刚石微粉的千分之几到百分之几，粒度减小带来的是比表面积的增大，这就为纳米金刚石的表面净化技术提出更高的要求，常规的金刚石微粉提纯净化工艺已经不再适用于纳米金刚石的提纯净化。纳米金刚石表面提纯净化不仅影响着纳米金刚石的纯度和表面特性，而且还影响着纳米金刚石的制备成本和应用领域。

技术实现思路

[0005]为解决上述问题，本专利技术公开了一种单晶二维纳米金刚石的表面净化工艺，具体方案是：
[0006]一种单晶二维纳米金刚石的表面净化工艺，包括以下步骤：
[0007]1)纳米金刚石物料先用浓硫酸、浓硝酸和高锰酸钾的混合液进行清洗，清洗温度为220℃
‑
260℃；
[0008]2)步骤1)清洗过的纳米金刚石物料再用浓硝酸、HF酸的混合物进行清洗，清洗温度为160℃
‑
200℃；
[0009]3)步骤2)清洗过的纳米金刚石物料再用高氯酸进行清洗，清洗温度为220℃
‑
260℃。
[0010]单晶二维纳米金刚石的制备工艺不同于爆轰法多晶纳米金刚石，故其杂质来源及成分也不同，爆轰法纳米金刚石的杂质主要来源是炸药以及爆炸金属容器和爆炸后生成的非金刚石成分，如石墨、无定型碳等。
[0011]而单晶二维纳米金刚石的制备工艺是利用人造金刚石作为原材料经高速气流以及球磨机制备而成的，其杂质主要来源是金刚石经破碎后内部暴露出的杂质，例如金属触媒、石墨、以及白云石、叶腊石等杂质，此外还有在破碎过程带入的金属以及金属氧化物等
杂质，这些杂质都吸附在纳米金刚石颗粒表面上，因此必须针对性的开发新的提纯净化工艺。
[0012]单晶纳米金刚石经破碎整形后内部暴露出的杂质是最里面的，即是与单晶纳米金刚石表面直接结合的，甚至于是以化学键结合的，而且破碎整形过程中形成的杂质是后续附着在纳米金刚石表面上的，但是由于纳米金刚石表面吸附性不能仅仅通过物理方法将其去除，故整个提纯工艺应按照纳米金刚石表面杂质的位置和成分不同依次去除。
[0013]本专利技术中步骤1)主要利用了浓酸和高锰酸钾的强氧化性去除碳(石墨)、金属(以Fe为代表，实际还含有镍等金属，铁镍属于同一主族元素，化学反应一致)、以及金属氧化物，具体反应机理如下：
[0014]C+2HNO3(浓)+H2SO4(浓)＝CO2↑
+2NO2↑
+SO2↑
+H2O
[0015]5C+4KMnO4+6H2SO4(浓)＝4MnSO4+2K2SO4+5CO2↑
+6H2O
[0016]2Fe+6H2SO4(浓)＝4Fe2(SO4)3+3SO2↑
+6H2O
[0017]2Fe2O3+9H2SO4(浓)＝2Fe2(SO4)3+3SO2↑
+9H2O
[0018]步骤2)主要是去除硅酸盐等杂质以及进一步去碳。具体反应机理如下：
[0019]C+4HNO3(浓)＝4NO2↑
+CO2↑
+2H2O
[0020]SiO2+4HF＝SiF4↑
+2H2O
[0021]步骤3)主要是进一步去除碳，该步骤使用的是高氯酸(分析纯级)，高氯酸在高温条件下是一种强氧化剂。具体反应机理如下：
[0022]7C+4HClO4＝2Cl2↑
+7CO2↑
+2H2O
[0023]优选的，步骤1)中，清洗时先往反应釜中依次加入浓硫酸和浓硝酸，持续搅拌，再加入纳米金刚石物料，最后加入高锰酸钾，再升温至220℃
‑
260℃。该改进可以提高对金属杂质的去除效果。
[0024]优选的，步骤1)中，加入的浓硫酸和浓硝酸的体积比为3:1。在该比例时，对纳米金刚石物料中金属和碳杂质的去除效果最好，当增加浓硝酸的比例时，对金属杂质的去除效果降低，当降低浓硝酸的比例时，对碳杂质的去除效果降低。
[0025]优选的，步骤1)中，纳米金刚石物料的添加量为浓硫酸质量的10％
‑
30％。当纳米金刚石物料添加量大于30％时，杂质去除效果变差。添加量小于10％时，酸的利用率太低。
[0026]优选的，步骤1)中，高锰酸钾的添加量是纳米金刚石物料质量的5％
‑
10％。高锰酸钾的添加量大于10％时，影响金属杂质去除，小于5％时，影响碳杂质去除。
[0027]优选的，步骤3)中高氯酸的质量分数为70％
‑
72％。
[0028]本专利技术可以有效去除单晶纳米金刚石的表面杂质，提高纳米金刚石的纯度和性能，降低纳米金刚石的制备成本，扩大其应用领域。
附图说明
[0029]下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。
[0030]图1为实施例1提纯净化后的单晶纳米金刚石的TEM图。
[0031]图2为实施例1提纯净化后的单晶纳米金刚石的EDS图。
[0032]图3为实施例1中提纯净化前的单晶纳米金刚石的XRD图。
[0033]图4为实施例1中提纯净化后的单晶纳米金刚石的XRD图。
[0034]图5为实施例1提纯净化前的单晶纳米金刚石的Raman图。
[0035]图6为实施例1提纯净化后的单晶纳米金刚石的Raman图。
[0036]图7为实施例1提纯净化前的单晶纳米金刚石物料的实物图。
[0037]图8为实施例1提纯净化后的单晶纳米金刚石实物图。
具体实施方式
[0038]下面结合本专利技术具体实施例对本专利技术进行清楚地描述，在此处的描述仅仅用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。基于本专利技术中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。
[0039]实施例1
[0040]步骤1)
[0041]按照体积比为3:1的比例依次添加98％的浓本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单晶二维纳米金刚石的表面净化工艺，其特征在于，包括以下步骤：1)纳米金刚石物料先用浓硫酸、浓硝酸和高锰酸钾的混合液进行清洗，清洗温度为220℃
‑
260℃；2)步骤1)清洗过的纳米金刚石物料再用浓硝酸、HF酸的混合物进行清洗，清洗温度为160℃
‑
200℃；3)步骤2)清洗过的纳米金刚石物料再用高氯酸进行清洗，清洗温度为220℃
‑
260℃。2.根据权利要求1所述的单晶二维纳米金刚石的表面净化工艺，其特征在于：步骤1)中，清洗时先往反应釜中加入浓硫酸和浓硝酸，持续搅拌，再加入纳米金刚石物料，最后加入高锰酸钾，再升温至220℃
...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫双伟，李浩，胡勤勤，梁中伍，
申请(专利权)人：河南省豫星碳材有限公司，
类型：发明
国别省市：