[发明专利]制造氟或三氟化氮的电解装置

说明书

技术领域

本发明涉及制造氟或三氟化氮的电解装置。更具体是，本发明涉及通过采用1到1000A/dm²的电流密度电解含氟化氢的熔盐以制造氟或三氟化氮的电解装置，此电解装置采用涂敷导电金刚石的电极作为阳极。

通过本发明的电解装置，可有效地制造氟或三氟化氮，而且即使在大电流密度下也不会出现阳极效应，也不会发生阳极溶解。因此，本发明的电解装置用于以工业规模制造氟或三氟化氮非常有利。

背景技术

氟在所有元素中在化学上最活泼。因此，氟及其化合物(例如三氟化氮)广泛应用于各个领域。

在核电厂，氟用作制造六氟化铀(UF₆)(用于铀浓度)的原料以及用作制造六氟化硫(SF₆)(用作高介电常数气体)的原料。另外，在半导体工业中，氟用作利用氟的属性对硅晶片表面进行干洗涤或者蚀刻的气体，从而氟与二氧化硅涂层反应并且选择性地与硅中所包含的杂质金属反应。此外，在其它工业中，氟用作控制高密度聚乙烯的气体渗透性，所述高密度聚乙烯是用于煤气罐的材料、并用于提高烯烃聚合物的可湿性。采用氟和氧的气体混合物处理烯烃聚合物，从而将碳酰氟基(-COF)导入烯烃聚合物的表面。碳酰氟基通过水解反应(例如由空气中的湿气引起)容易转化为羧基，从而提高烯烃聚合物的可湿性。

另一方面，自从三氟化氮(NF₃)大量用作由美国宇航局(NASA)设计完成的星球探测火箭的燃料/氧化剂时开始，其就受到了广泛关注。目前，在半导体工业中，三氟化氮大量用作半导体制造工艺中的干法蚀刻气体，以及半导体制造过程和液晶显示器制作过程中的CVD室清洁气体。作为CVD室清洁气体，还使用全氟化合物(PFC)，例如四氟化碳(CF₄)或者六氟乙烷(C₂F₆)，但是近来发现PFC大大加速了全球变暖现象。因此，可能在全球范围例如通过Kyoto Protocol限制或者禁止PFC的使用。因此，越来越多的三氟化氮正在用作PFC的替代气体。

如上文所述，氟和三氟化氮广泛应用于各个领域。因此，以工业规模有效制造氟或者三氟化氮非常重要。

因为氟与许多物质很容易反应以至于不能通过常规的化学氧化方法或者常规置换方法分离，因此只能通过电解方法制造氟。在电解方法中，通常通过将氟化钾(KF)和氟化氢(HF)的含氟化氢的熔盐用作电解液以制造氟，其中KF与HF的摩尔比为1/2(下文常常将其称作“KF-2HF体系的含HF熔盐”)。

另一方面，形成三氟化氮的方法分为化学方法和电解方法。在化学方法中，通过将KF-2HF体系的含HF熔盐用作电解液进行电解首先得到氟，然后氟与例如金属氟化物铵络合物反应，从而获得三氟化氮。在电解方法中，通过将氟化铵(NH₄F)和氟化氢(HF)的含HF熔盐、或者氟化铵、氟化钾(KF)及氟化氢的的含HF熔盐用作电解液而直接产生三氟化氮。

通常，从使加工过程简易和减小导体电阻的角度而言，期望将金属用作电解装置的电极材料。但是，在通过采用含氟化氢的熔盐制造氟或者三氟化氮的电解装置中，以金属为阳极不合适。其原因在于如果在制造氟或三氟化氮的含氟化氢的熔盐电解中采用金属阳极，那么金属会剧烈溶解，从而产生金属氟化物淤渣或者形成阻挡电流的钝化层，因此不能继续水解。

例如，在电解产生氟的过程中，如果以镍作为阳极，则在电解中镍腐蚀并剧烈溶解，从而形成大量的氟化镍淤渣。同样，在电解产生三氟化氮的过程中，如果以镍作为阳极，则在电解中镍腐蚀并剧烈溶解，从而形成大量的氟化镍淤渣。

因此，当以金属为阳极和以含氟化氢的熔盐为电解液而电解产生氟或三氟化氮时，金属会剧烈溶解，从而形成金属氟化物淤渣。为此，有必要经常更换电极和电解液，从而难于连续产生氟或者三氟化氮。另外，如果增加电流密度，则金属的溶解明显增加，使得难于在高电流密度下进行电解。

因此，在通过将含氟化氢的熔盐用作电解液而电解产生氟或者三氟化氮的过程中，通常以碳作为阳极。但是，以碳为阳极产生下面的问题。