用于純碳產(chǎn)生的工藝、組合物和其方法
【專利說明】用于純碳產(chǎn)生的工藝、組合物和其方法
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年3月15日提交的美國臨時(shí)申請?zhí)?1/798，198的優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)申請通過弓I用整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開提供在約150°C至約750°C的溫度下將來自鹽樣碳化物的碳化物陰離子或負(fù)離子氧化的方法。在另一方面，本公開提供與中間體過渡金屬碳化物的反應(yīng)。在又一方面，本公開提供一種反應(yīng)系統(tǒng)，其中將鹽樣碳化物陰離子和中間體碳化物陰離子氧化以產(chǎn)生各種同素異形體的純碳。
【背景技術(shù)】
[0004]碳化物是含有碳和負(fù)電性更低或吸電子能力更弱的元素的化學(xué)化合物。幾乎所有元素都與元素碳反應(yīng)而產(chǎn)生碳化物。它們進(jìn)一步被分類為4組:鹽樣碳化物、共價(jià)碳化物、間隙碳化物和中間體過渡金屬碳化物。鹽樣碳化物與水和稀酸反應(yīng)而產(chǎn)生離子和烴氣。中間體過渡金屬碳化物還與稀酸和有時(shí)水反應(yīng)而產(chǎn)生金屬陽離子、烴和有時(shí)氫。
[0005]鹽樣碳化物進(jìn)一步被分解為甲烷化物、乙炔化物和倍半碳化物。甲烷化物與水反應(yīng)而產(chǎn)生甲烷。甲烷是一個(gè)碳原子以sp3雜化鍵結(jié)至四個(gè)氫原子。甲烷化物的兩個(gè)實(shí)例是碳化鋁(Al4C3)和碳化鈹(Be2C)。乙炔化物是乙炔化物陰離子C2 2的鹽并且還在兩個(gè)碳原子之間具有一個(gè)三鍵。三鍵碳具有spl雜化并且乙炔化物的兩個(gè)實(shí)例是碳化鈉(Na2C2)和碳化鈣(CaC2)。倍半碳化物含有多原子陰離子C3 4并且含有具有spl雜化的碳原子。倍半碳化物的兩個(gè)實(shí)例是鎂(Mg2C3)和鋰(Li4C3)。
[0006]美國專利號1，319，148定義了通過使鉀陽離子(正離子)與來自碳化鈣的乙炔化物陰離子反應(yīng)而產(chǎn)生鉀金屬的氧化反應(yīng)。反應(yīng)介質(zhì)是烷融氟化鉀(mp = 876°C)。這示于以下方案(I)中的反應(yīng)中。
[0007]方案I
[0008]CaC2+2KF 一 CaF2+2K+2C(石墨)反應(yīng) T > 800Γ (I)
[0009]該反應(yīng)的其它產(chǎn)物是氟化鈣和石墨。石墨是元素碳的熱力學(xué)最穩(wěn)定形式，因此這是高溫下的有利產(chǎn)物。該反應(yīng)(鉀離子的還原)發(fā)生在高于800°C下，該溫度將被認(rèn)為是高溫，因?yàn)?00°C是赤熱。
[0010]可以從熔融鹽的電解來制備堿金屬。然而，美國專利號1，319，148指示使用氧化反應(yīng)來制備喊金屬。另外，Concepts and Models of Inorganic Chemistry ；DouglasB.McDaniel D.1965Xerox公司描述了他們?nèi)绾卧诶萌廴邴}電解前純化堿金屬。
[0011]為了產(chǎn)生堿金屬，溫度高于KF的熔點(diǎn)(mp = 8580C )，所述溫度足夠高以將K.(bp=744°C )汽化。產(chǎn)物被指示為CaF2、K°和碳的熱力學(xué)最穩(wěn)定形式(石墨、C(石墨))。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012]本公開提供通過在約150°C至約750°C的反應(yīng)溫度下將碳化物陰離子氧化而將來自碳化物的碳化物陰離子和/或負(fù)離子氧化的方法，其中所述反應(yīng)產(chǎn)生呈spl和/或sp3構(gòu)型的碳的同素異形體。
[0013]在另一方面，本公開提供通過在約150°C至約750°C的反應(yīng)溫度下將鹽樣碳化物陰離子和/或中間體碳化物陰離子氧化來產(chǎn)生碳的純元素同素異形體的方法。
[0014]在又一方面，本公開提供通過在約150°C至約750°C的反應(yīng)溫度下在反應(yīng)溫度下使碳化物與熔融金屬鹵化物鹽反應(yīng)來產(chǎn)生金剛石的方法。
[0015]本公開還提供通過改變陽離子的還原電勢和/或改變?nèi)廴谖锏臏囟纫钥刂频腿埸c(diǎn)鹵化物鹽反應(yīng)物的還原電勢來控制碳同素異形體的方法。
[0016]在一個(gè)方面，碳化物陰離子是鹽樣或中間體碳化物陰離子。在另一方面，鹽樣碳化物陰離子選自由甲烷化物、乙炔化物和倍半碳化物組成的組。在另一方面，鹽樣碳化物陰離子是碳化鈣。
[0017]在一個(gè)方面，本文所述的方法產(chǎn)生呈spl構(gòu)型的碳的同素異形體。在又一方面，本文所述的方法產(chǎn)生呈sp3構(gòu)型的碳的同素異形體。
[0018]本公開還提供本文所述的方法，其中反應(yīng)溫度低于約150°C，低于約200°C，低于約250°C，低于約300°C，低于約400°C，低于約500°C，低于約600°C，低于約700°C，或低于約 800。。。
[0019]在又一方面，本公開提供在以下范圍內(nèi)的溫度下將來自鹽樣碳化物的碳化物陰離子或負(fù)離子氧化的方法:約150°C至約200°C、約150°C至約250°C、約200°C至約250°C、約200°C 至約 300°C、約 200°C 至約 350°C、約 200°C至約 400°C、約 250°C至約 400°C、約 200°C至約 500 0C、約 250 0C 至約 500 °C、約 300 °C 至約 600 °C、約 400 °C 至約 600 °C、約 500 °C 至約 700°C、約 200°C至約 700°C、約 250°C至約 750°C、約 150°C至約 750°C、約 150°C至小于800°C、約250°C至小于800°C、約300°C至小于800°C、約400°C至小于800°C、約500°C至小于800°C或約600°C至小于800°C。
【附圖說明】
[0020]圖1是提供碳的各種同素異形體的形成焓的圖。
[0021]圖2提供用于形成碳的各種同素異形體的代表性方塊流程圖，包括(I)反應(yīng)準(zhǔn)備、
(2)化學(xué)反應(yīng)、(3)碳分離和(4)金剛石純化方面。
【具體實(shí)施方式】
[0022]在一個(gè)方面，本公開提供金剛石產(chǎn)生方法，所述方法包括本文所述的(I)反應(yīng)準(zhǔn)備、(2)化學(xué)反應(yīng)、(3)分離和(4)純化方法，由其組成或基本上由其組成。代表性方法描述于圖2中。
[0023]在一個(gè)方面，所述工藝通過在沒有水分和氧的受控氣氛中準(zhǔn)備反應(yīng)器(I)開始。在一個(gè)方面，化學(xué)反應(yīng)(2)在反應(yīng)準(zhǔn)備部分之后。在另一方面，分離和純化方面在化學(xué)反應(yīng)
(2)之后。在又一方面，分離和純化方面在化學(xué)反應(yīng)(2)之后，因?yàn)榉蛛x(3)由去除不是來自化學(xué)反應(yīng)(2)的產(chǎn)物的元素碳的材料來限定，并且純化(4)是去除通過化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的任何不期望的元素碳以及從分離(3)殘留的任何其它的痕量材料。
[0024]所述工藝的(I)反應(yīng)準(zhǔn)備方面涉及準(zhǔn)備反應(yīng)物以控制變量和反應(yīng)條件；(2)相應(yīng)反應(yīng)物以本文所述的方式的化學(xué)反應(yīng)；(3)分離方面包括未反應(yīng)的碳化物和金屬鹽、通過所述反應(yīng)產(chǎn)生的金屬鹽、通過所述反應(yīng)產(chǎn)生的元素金屬和任何/或所產(chǎn)生的金屬氧化物的初始去除；并且(4)純化方面是產(chǎn)產(chǎn)生物(例如，金剛石)的方面。在一個(gè)實(shí)施方案中，所述工藝的(4)純化方面可包括通過所述反應(yīng)產(chǎn)生的sp2和混合雜化碳的去除連同任何殘留的碳化物、金屬鹽、元素金屬和金屬氧化物的去除。在另一方面，本公開提供碳產(chǎn)生方法，所述方法包括本文所述的(I)反應(yīng)準(zhǔn)備、(2)化學(xué)反應(yīng)、(3)分離和(4)純化方法中所述的任何亞組，由其組成或基本上由其組成。
[0025]雖然，在一個(gè)方面，產(chǎn)生金剛石的整個(gè)工藝可在一個(gè)方面涉及至少三個(gè)部分，但本公開還提供通過將(3)分離和(4)純化方面組合成單個(gè)方面或單個(gè)步驟來精簡該工藝的方法。例如，在一個(gè)方面，本公開提供一種方法，所述方法包括本文所述的(I)反應(yīng)準(zhǔn)備、(2)化學(xué)反應(yīng)、(3)分離和(4)純化方法，由其組成，基本上由其組成。
[0026](I)反應(yīng)準(zhǔn)備:
[0027]無水分環(huán)境中的反應(yīng)準(zhǔn)備:
[0028]不同的鹽樣和中間體碳化物與水和/或稀酸反應(yīng)而產(chǎn)生烴氣和金屬氧化物。幾乎所有鹽樣和中間體碳化物還與空氣中的水分反應(yīng)。當(dāng)碳化物被研磨至更小的粒度時(shí)，由于暴露于環(huán)境的表面積增加，因此反應(yīng)速率增加。某些反應(yīng)物(例如碳化鋁)將與空氣中的水分反應(yīng)而產(chǎn)生礬土(氧化鋁)，這可以使分離過程變得復(fù)雜。在一個(gè)方面，本公開提供使用稀酸或濃酸從反應(yīng)產(chǎn)物中去除元素金屬和金屬氧化物的方法，同時(shí)通過所述反應(yīng)產(chǎn)生的元素碳保持不變。
[0029]另外，金屬鹽如鹵化物反應(yīng)物也可吸引來自空氣的水分以形成溶于水中的離子的溶液。累積于所述鹽中的任何水分均可進(jìn)入反應(yīng)器中并與碳化物反應(yīng)。水分還可在反應(yīng)溫度下汽化，從而增加壓力并改變反應(yīng)條件。因此，在一個(gè)方面，可在控制氣氛的手套箱中加載反應(yīng)物。在另一方面，反應(yīng)條件包括沒有任何水分和氧的環(huán)境。為了實(shí)現(xiàn)此類無水分環(huán)境，可通過用干燥惰性氣體(例如但不限于氬)將手套箱沖洗多次來準(zhǔn)備氣氛?？刹扇☆~外步