Способ получения кристаллического нитрида углерода c3n4 - RU2337185C1

Описание

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для синтеза кристаллического нитрида углерода C₃N₄.

Известен способ получения кристаллического нитрида углерода С₃N₄ [Valery N. Khabasbesku, John L. Margrave, John L. Zimmerman. Powder Synthesis and characterization of amorphous carbon nitride, А-С₃N₄. Patent No.: US 6,428,762 B1. Date of Patent: Aug.6, 2002], включающий тонкое размельчение C₃N₃Cl₃ и Li₃N и перемешивание в заполненном N₂ боксе, загрузку порошка в реакционную камеру из нержавеющей стали, герметизацию, подвешивание реакционной камеры вертикально в печи, нагревание до 320-400°С с вибрационным перемешиванием, выдержку в течение 2-4 часов и охлаждение до комнатной температуры.

Существенным недостатком способа является использование твердых реагентов. В этом способе для увеличения скорости реакции, протекающей на поверхности раздела твердых фаз, необходимо увеличение поверхности раздела путем тонкого измельчения реагентов и вибрационного перемешивания. Увеличение скорости реакции этим способом требует также дополнительного повышения температуры и времени синтеза. Кроме того, способ не позволяет ввести строго заданное количество компонентов x и y для C_xN_y, что приводит к уменьшению выхода нитрида углерода С₃N₄.

Известен способ получения кристаллического нитрида углерода C₃N₄ [Yu-Jun Bai, Во Lu, Zhen-Gang Xu, Ling Li, Xian-Gang Xu, Qi-Long Wang. Solvothermal preparation of graphite-like C₃N₄ nanocrystals. Jounal of Cristal Growth 247 {2003} 505-508], выбранный за прототип. Он включает загрузку CCl₄ и NH₄Cl в реакционную камеру из нержавеющей стали, нагревание до 400°С, выдержку в течение 20 часов, охлаждение до комнатной температуры и удаление побочных продуктов.

Существенным недостатком этого способа получения является использование в качестве реагента NH₄Cl, в результате чего процесс образования С₃N₄ возможен лишь после стадии разложения NH₄Cl при нагревании до 400°С и выдержки в течение 20 часов при этой температуре согласно уравнениям реакций:

NH₄Cl=HCl+NH₃,

CCl₄+NH₃=C₃N₄+HCl.

Способ не позволяет ввести в реакционную камеру количество компонентов, отвечающих уравнению реакции 3CCl₄+4NH₃=C₃N₄+12HCl, что ведет к снижению скорости реакции, высокой температуре протекания реакции и длительному времени синтеза.

Задачей изобретения является увеличение скорости процесса, снижение температуры и времени синтеза кристаллического нитрида углерода С₃N₄.

Предложен способ получения кристаллического нитрида углерода C₃N₄. Предварительно рассчитывают нитрид углерода С₃N₄ и тетрахлорид углерода CCl₄ в количествах, отвечающих уравнению реакции 3CCl₄+4NH₃=С₃N₄+12HCl, и выход кристаллического нитрида углерода С₃N₄. Далее в реакционную камеру вводят определенное количество жидкого NH₃ в герметичном сосуде и тетрахлорид углерода CCl₄. Камеру герметизируют, вскрывают в ней сосуд с NH₃, нагревают до температуры 195-200° и выдерживают в течение 1,5-2 часов до окончания реакции и получения готового продукта, т.е. кристаллического С₃N₄.

Введение жидкого аммиака NH₃ в реакционную камеру в герметичном сосуде исключает стадию разложения NH₄Cl=HCl+NH₃ при нагревании, что ускоряет процесс синтеза и снижает его температуру до 195-200°С и предотвращает взаимодействие между компонентами CCl₄ и NH₃ в процессе загрузки, исключает их потерю.

Валентные возможности атомов углерода и азота позволяют получать химически устойчивые соединения нитрида углерода с различным содержанием азота и углерода, поэтому необходимо вводить в реакционную камеру определенные количества компонентов, соответствующих данному составу нитрида углерода. Введение жидкого NH₃ в герметичном сосуде и тетрахлорида углерода в количествах, отвечающих уравнению реакции 3CCl₄+4NH₃=C₃N₄+12HCl, исключает протекание побочных реакций и, следовательно, образование побочных продуктов согласно уравнению реакции CCl₄+NH₃=C_xN_y+NH₄Cl, где x не равен 3, a y не равен 4, и, как следствие, ускоряет процесс синтеза.

Вскрытие сосуда с жидким NH₃ после герметизации реакционной камеры обеспечивает в ней дополнительное давление, которое ускоряет процесс синтеза и стимулирует образование кристаллической фазы.

Нагревание камеры до 195-200°С обеспечивает перевод компонентов шихты в газообразное состояние и гомофазное взаимодействие NH₃ с CCl₄ с образованием кристаллического С₃N₄ и HCl, а выдержка в течение 1,5-2 часов обеспечивает полное взаимодействие между компонентами.

Нагревание ниже 195°С приводит к резкому снижению образования кристаллического нитрида углерода С₃N₄, а нагревание реакционной камеры выше 200°С нецелесообразно, так как реакция образования кристаллического нитрида углерода С₃N₄ заканчивается при 200°С в течение 2 часов.

Пример 1. Предварительно согласно уравнению реакции: 3CCl₄+4NH₃=C₃N₄+12HCl рассчитывали количества жидкого аммиака NH₃ и тетрахлорида углерода CCl₄, что составило 0,1150 г NH₃ и 0,7790 г CCl₄. В отсек реакционной камеры в герметичном сосуде помещали 0,1150 г NH₃ и 0,7790 г CCl₄, после чего камеру герметизировали. Далее вскрывали сосуд с аммиаком. Реакционную камеру нагревали до 200°С и выдерживали в течение 1,5 часов, после чего камеру охлаждали на воздухе, вскрывали камеру и удаляли побочный продукт HCl. Выход кристаллического нитрида углерода C₃N₄ составил 92% от рассчитанного по уравнению реакции 3CCl+4NH₃=С₃N₄+12HCl.

Пример 2. Аналогично первому примеру рассчитывали количества жидкого аммиака NH₃ и тетрахлорида углерода CCl₄, что составило 0,1560 г NH₃ и 1,0567 г CCl₄. В отсек реакционной камеры в герметичном сосуде помещали NH₃ и CCl₄, после чего камеру герметизировали. Далее вскрывали сосуд с аммиаком. Реакционную камеру нагревали до 195°С и выдерживали в течение 2 часов, после чего камеру охлаждали на воздухе, вскрывали камеру и удаляли побочный продукт HCl. Выход кристаллического нитрида углерода С₃N₄ составил 88,5% от рассчитанного по уравнению реакции 3CCl₄+4NH₃=С₃N₄+12HCl.

Из приведенных выше примеров видно, что процесс получения кристаллического нитрида углерода С₃N₄ протекает при более низких температурах, скорость процесса по сравнению с прототипом возросла, что привело к уменьшению времени синтеза.

Реферат

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для синтеза кристаллического нитрида углерода C₃N₄. Предварительно рассчитывают количества нитрида углерода C₃N₄ и тетрахлорида углерода CCl₄, отвечающих уравнению реакции 3CCl₄+4NН₃=C₃N₄+12НСl. Далее в реакционную камеру вводят рассчитанное количество жидкого NH₃ в герметичном сосуде и тетрахлорид углерода CCl₄. Камеру герметизируют, вскрывают в ней сосуд с NH₃, нагревают до температуры 195-200° и выдерживают в течение 1,5-2 часов до окончания реакции и получения кристаллического нитрида углерода. Способ получения кристаллического нитрида углерода C₃N₄ является экономичным, т.к. протекает при более низких температурах, скорость процесса образования кристаллического нитрида углерода высокая, что приводит к уменьшению времени синтеза.

Формула