[发明专利]利用单原子碳还原制备单质材料的方法

说明书

本发明属于材料领域，涉及一种利用单原子碳还原制备单质材料的方法。该方法包括：在熔体介质中，在300℃～1500℃下，有机碳源裂解成原子碳并溶解于熔体介质，所述原子碳与置于熔体介质中的单质前体化合物发生氧化还原反应，该前体化合物被还原成单质，单质在熔体介质中过饱和结晶析出，得到单质材料。本发明的方法能够在较低的温度下以较低的成本制备品质好的、自结晶生长的单质材料。

技术领域

本发明涉及材料领域，具体而言，涉及一种利用单原子碳还原制备单质材料的方法。

背景技术

单质材料包括金属和非金属。单质材料作为特种功能材料和结构材料，是各种高端制造工业的基础材料，产品广泛应用于航空、航天、船舶、核工业、电子、汽车、新能源等高科技领域。然而，自然界的物质极少以单质的形式存在，大多以氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、各种酸盐等化合物的形式存在，为此需要将化合物还原才能得到单质材料。最主要的方法有热还原和电解法。其中，碳热法和硅热法、铝热法、镁热法等金属热法是常用的热还原方法。但是上述方法普遍需要高温反应，能耗大、成本高，如采用碳热还原的高炉炼铁温度在1000℃～1400℃，铝热还原法制硅温度在1600℃～1700℃，而用硅铁(Si-Fe)作还原剂的皮江法炼镁不仅需高温1200℃～1250℃，还需要高真空(1～13Pa)的条件。另外，单质的结晶性不佳，一般为多晶或无定形态。

因此，迫切需要一种非高温的制备单质材料的方法，该方法能够在较低的温度下以较低的成本制备品质好的、自结晶生长的单质材料。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供了一种利用单原子碳还原制备单质材料的方法，该方法能够在较低的温度下以较低的成本制备品质好的、自结晶生长的单质材料。

根据本发明，本发明提供的利用单原子碳还原制备单质材料的方法，包括：在熔体介质中，在300℃～1500℃下，有机碳源裂解成原子碳并溶解于熔体介质，所述原子碳与置于熔体介质中的单质前体化合物发生氧化还原反应，该前体化合物被还原成单质，单质在熔体介质中过饱和结晶析出，得到单质材料。

下面，更详细地描述本发明的利用单原子碳还原制备单质材料的方法。

本发明所制备的单质材料包括单质金属和单质非金属，具体地，包括且不限于金属Mg、Zn、Cu、Fe、Li、Ge、V、Cr、Ni、Co、Mn、Bi、Ti、Mo、Y、Ir、W、Pt、Ta、Nb、Re、Hf、Pd、Zr，非金属B、Si，且更优选为Mg、Cu、Fe、Li、Ge、Ni、Co、Ti、Pt、Nb、Zr、B或Si。

所述单质前体化合物是指待制备单质元素的化合物，包括且不限于该单质元素的氧化物、氮化物、硫化物和包含该单质元素的盐，优选地，所述单质前体化合物为单质元素的氧化物或包含该单质元素的盐，且更优选为单质元素的氧化物。在本发明中，所述单质前体化合物优选研磨成粉末形式使用，优选粒度在900～8000目。

所述熔体介质是指选自无机盐、无机碱、氧化物、氮化物、碳化物、金属和合金中的一种或几种的熔融体。在300℃～1500℃下，有机碳源裂解形成原子碳，且原子碳不与该熔体化合物发生反应，或只发生生成待制备单质的反应，原子碳在所述熔体中的最大溶解度不低于10^-7(g/100g)；优选地，所述熔体介质为熔点低于810℃的无机盐、无机盐混合物，或熔点低于400℃无机碱、无机碱混合物，或熔点低于500℃的低熔点合金。具体地，所述的无机盐例如氯化镁、氯化钠、氯化钾、氯化锂、氯化钙、氯化铝，氟化钾、氟化钠、氟化锂，硝酸钠、硝酸钾，硫酸锂、硫酸钠；所述的无机碱包括氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化锂、氢氧化铝；所述的合金包括Bi与Sn、Pb、In、Cd、Hg、Zn的二元、三元、四元、五元合金，Bi与Pt的合金，Pb与Sn、In、Cd、Hg的二元、三元、四元合金，Sn与Cd的合金。