способ получения кристаллического нитрида углерода c ₃n₄

Формула изобретения

Способ получения кристаллического нитрида углерода, включающий загрузку в реакционную камеру тетрахлорида углерода, нагревание камеры и выдержку и удаление побочных продуктов, отличающийся тем, что в реакционную камеру дополнительно вводят жидкий аммиак в герметичном сосуде и тетрахлорид углерода в предварительно рассчитанных количествах, отвечающих уравнению реакции 3CCl ₄+4NH₃=C₃N ₄+12HCl, камеру герметизируют, вскрывают в ней сосуд с аммиаком, нагревают до температуры 195-200°С и выдерживают в течение 1,5-2 ч при этой температуре до окончания реакции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области химии и может быть использовано для синтеза кристаллического нитрида углерода C ₃N₄.

Известен способ получения кристаллического нитрида углерода С₃N ₄ [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 C₃N₃ Cl₃ 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 С₃ N₄.

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 C ₃N₄ nanocrystals. Jounal of Cristal Growth 247 {2003} 505-508], выбранный за прототип. Он включает загрузку CCl₄ и NH₄ Cl 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+NH ₃,

CCl₄+NH₃ =C₃N₄+HCl.

Способ не позволяет ввести в реакционную камеру количество компонентов, отвечающих уравнению реакции 3CCl₄+4NH ₃=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 С ₃N₄.

Предложен способ получения кристаллического нитрида углерода C₃N ₄. Предварительно рассчитывают нитрид углерода С ₃N₄ и тетрахлорид углерода CCl ₄ в количествах, отвечающих уравнению реакции 3CCl ₄+4NH₃=С₃N ₄+12HCl, и выход кристаллического нитрида углерода С ₃N₄. 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 С₃N ₄.

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=C ₃N₄+12HCl, исключает протекание побочных реакций и, следовательно, образование побочных продуктов согласно уравнению реакции CCl₄+NH ₃=C_xN_y+NH ₄Cl, где x не равен 3, a y не равен 4, и, как следствие, ускоряет процесс синтеза.

Вскрытие сосуда с жидким NH ₃ 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 NH ₃ 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 С ₃N₄, а нагревание реакционной камеры выше 200°С нецелесообразно, так как реакция образования кристаллического нитрида углерода С₃N ₄ заканчивается при 200°С в течение 2 часов.

Пример 1. Предварительно согласно уравнению реакции: 3CCl ₄+4NH₃=C₃N ₄+12HCl рассчитывали количества жидкого аммиака NH ₃ и тетрахлорида углерода CCl₄, что составило 0,1150 г NH₃ и 0,7790 г CCl ₄. В отсек реакционной камеры в герметичном сосуде помещали 0,1150 г NH₃ и 0,7790 г CCl ₄, 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+4NH ₃=С₃N₄+12HCl.

Пример 2. Аналогично первому примеру рассчитывали количества жидкого аммиака NH₃ и тетрахлорида углерода CCl₄, что составило 0,1560 г NH ₃ 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 С ₃N₄ составил 88,5% от рассчитанного по уравнению реакции 3CCl₄+4NH ₃=С₃N₄+12HCl.

Из приведенных выше примеров видно, что процесс получения кристаллического нитрида углерода С₃N ₄ протекает при более низких температурах, скорость процесса по сравнению с прототипом возросла, что привело к уменьшению времени синтеза.