Способ получения нитрида углерода - RU2288170C2

Описание

Изобретение относится к области химии. Нитрид углерода может быть использован в электронной технике, медицинском оборудовании, в производстве голубого люминофора, для напыления жестких дисков для компьютеров, изготовления инструментов с повышенной твердостью, применяемых в металлообрабатывающей промышленности и т.д.

В настоящее время представляют интерес методы получения нитрида углерода путем проведения термического разложения химических веществ или смеси веществ.

Известен способ получения C₃N₄, включающий загрузку меламина (C₃N₃)(NH₂)₃ и циануристого хлорида (C₃N₃)Cl₃, дальнейшее нагревание с образованием готового продукта C₃ N₄.

Недостатком является то, что способ не позволяет избавиться от образования Н₂ и HCN. Это приводит к повышенной взрывоопасности и токсичности процесса [Montigaud H., Tanguy В., Demazeau G., Alves I., Courjault S. C₃N₄: dream or reality? Solvothermal synthesis as macroscopic samples of the C₃N₄ graphitik form // J. of Materials Science. 2000. V.35. P.2547-2552].

Известен метод для создания нитрида углерода C₃N₄ [пат. №6428762 US]. Порошок циануристого хлорида (C₃N₃)Cl₃ смешивают с порошком нитрида лития Li₃N, после чего смесь помещают в реактор и герметизируют. Пропускают через реактор азот и нагревают содержимое до температуры 300-400°С и выдерживают определенное время. Для того чтобы убрать побочные продукты реакции полученный нитрид углерода охлаждают и промывают.

Недостатками указанного метода являются: многоступенчатость процесса, высокая стоимость и небольшой выход готового продукта - C₃N₄.

Известен способ получения нитрида углерода C₃N₄, выбранный за прототип. [В.В.Милявский и др. Кристаллический сверхтвердый нитрид углерода - от прогноза к синтезу]. Способ основан на термическом разложении роданида металла при определенных параметрах.

Способ не позволяет получать C₃N₄ стехиометрического состава, кроме того, выход готового продукта был очень мал и содержание в нем азота значительно падало.

Техническим результатом изобретения является получение C₃N₄ экологически чистым путем, а также увеличение выхода и удешевление готового продукта C₃N₄.

Для этого предложен способ получения нитрида углерода C₃N₄, который заключается в том, что при термическом разложении роданида металла используют роданид щелочного металла. Его разложение ведут в вакуумированной и герметизированной камере, выполненной в виде двух сообщающихся сосудов, в которой создают градиент температур Т_max, меньшей или равной 500°С, T_min, равной комнатной температуре. В результате получают в одном сосуде нитрид углерода C₃N₄ и сульфиды металла, а в другом - сконденсированный побочный продукт CS₂ и легколетучие примеси. Второй сосуд удаляют. Готовый нитрид углерода C₃N₄ освобождают от сульфидов металла, например, промывают от растворимых в воде сульфидов щелочного металла.

Существенными признаками предлагаемого изобретения являются: использование роданида щелочного металла, камеры определенной формы, ее вакуумирование и герметизация, создание градиента температур.

Использование роданида щелочного металла приводит согласно уравнению реакции 4MeCNS→2Me₂S+C₃N₄+CS₂ к образованию нитрида углерода C₃N₄ стехиометрического состава и примесей, не содержащих токсичный HCN, а градиент температуры обеспечивает полное разложение шихты и конденсацию CS₂. Сульфиды металла, которые получаются в процессе реакции, хорошо растворимы в воде, что обеспечивает получение чистого C₃N₄. Как известно, варьированием скорости нагревания шихты можно получить различные структуры нитрида углерода.

Использование камеры предлагаемой конструкции позволяет вести процесс в замкнутом объеме, что является экологически чистым процессом, быстро удалять побочные продукты и удешевляет тем самым получение C₃N₄.

Вакуумирование и герметизация камеры проводится для того, чтобы полностью исключить из процесса термического разложения исходного продукта кислород и водород, которые в том или ином количестве присутствуют в атмосфере. Наличие кислорода резко снижает выход готового продукта, а водорода - приводит к увеличению взрывоопасности процесса.

Совокупность отличительных признаков позволяет получать нитрид углерода простым, дешевым и экологически чистым способом.

Увеличение температуры нагрева выше 500°С нецелесообразно, так как приводит к частичному разложению C₃N₄, тем самым уменьшая конечный выход продукта.

Предлагаемый способ обладает новизной, так как идентичные признаки не были выявлены.

Для получения нитрида углерода C₃N₄ брали роданид калия весом 10,5271 г загружали его в реакционную камеру, выполненную из кварцевого стекла в виде двух сообщающихся сосудов. Камеру вакуумировали до давления 10^-4-10^-5 мм рт.ст. и герметизировали. Камеру помещали в печь и нагревали до Т=500°С, обеспечивая градиент в сосудах T_max=500°C, T_min=комнатная температура. Происходила реакция: 4KCNS→2K₂S+C₃N₄+CS₂.

Образовавшийся CS₂ и легколетучие примеси конденсировались в одном из сосудов из-за создания градиента температур. Этот сосуд удаляли. Сульфид калия K₂S хорошо растворяется в воде, и его удаляют путем простого промывания. В результате получают нитрид углерода C₃N₄ в виде порошка, выход которого составляет 16%.

Для получения нитрида углерода C₃N₄ брали роданид натрия весом 10,6321 г загружали его в реакционную камеру, выполненную из кварцевого стекла в виде двух сообщающихся сосудов. Камеру вакуумировали до давления 10^-4-10^-5 мм рт.ст. и герметизировали. Камеру помещали в печь и нагревали до Т=490°С, обеспечивая градиент в сосудах Т_max=490°С, Т_min=комнатная температура. Происходила реакция 4NaCNS→2Na₂S+C₃N₄+CS₂.

Сосуд с CS₂ и примесями удаляли. Сульфид натрия Na₂S хорошо растворяется в воде и его удаляют путем простого промывания. В результате получают нитрид углерода C₃N₄ в виде порошка, выход которого составляет 15%.

При необходимости смесь роданидов натрия и калия тоже может быть использована для получения C₃N₄.

Использование предложенного способа получения нитрида углерода C₃N₄ позволяет получить продукт экологически чистым путем, удешевить процесс в 10-20 раз за счет использования достаточно дешевого исходного продукта и увеличить выход готового продукта.

Реферат

Изобретение может быть использовано в электронной и медицинской технике, при изготовлении люминофоров, жестких компьютерных дисков, инструментов с повышенной твердостью. Способ получения нитрида углерода включает термическое разложение роданида щелочного металла в вакуумированной герметизированной камере, выполненной в виде двух сообщающихся сосудов, в которой создают градиент температур Т_max, меньшей или равной 500°С, T_min, равной комнатной температуре, после чего удаляют сконденсированный CS₂. Изобретение позволяет получить нитрид углерода экологически чистым путем и увеличить выход готового продукта.

Формула