CN109225238A - 一种宝石级无色钻石用触媒及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于人造金刚石技术领域，具体涉及一种宝石级无色钻石用触媒及其制备方法。所述宝石级无色钻石用触媒，所述触媒为粉状，包括以下重量百分比的原料：Fe 60‑80%、Ni 25‑35%、0＜Co≤1%、0＜Si≤0.5%、0＜稀土元素≤0.8%；所述触媒的制备方法包括以下步骤：1）熔融混合；2）气雾化制粉；3）一次压制；4）真空处理；5）二次压制。用本发明的触媒制备无色钻石，易于生产，钻石结构稳定，催化效果好，除氮效率高，产品质量有保障，成品率高，实用性强。

Description

一种宝石级无色钻石用触媒及其制备方法

技术领域

本发明属于人造金刚石技术领域，具体涉及一种宝石级无色钻石用触媒及其制备方法。

背景技术

金刚石是一种集多种优异性能于一体的极限功能材料。被广泛的应用于工业、科技、国防、珠宝等行业。特别是优质无色金刚石晶体可被广泛应用于各种首饰中，具有广泛的应用前景。现有已知的无色钻石主要来源于天然钻石矿，而天然钻石的形成需要上亿年，产量稀少，价格昂贵，长期开采则会造成天然钻石资源的枯竭，而且成本极高。因此急需人工合成无色钻石的研究与发展。

采用温度梯度法合成宝石级无色金刚石，一般使用石墨作为碳源的原始材料，在高温高压条件下，碳源、催化剂和晶种处的温度和压强均置于石墨-金刚石相图上的金刚石稳定的V行区域，因为碳源处于高温区，晶种处于低温区，作为碳源的石墨在熔融催化剂中溶解度高，而晶种在熔融催化剂中的溶解度低。这样，上部催化剂高浓度的碳原子会向下部催化剂低浓度区扩散，在晶种附近周围形成过饱和碳溶液，最终碳原子沉积到晶种表面沿着晶种外延生长。由此可见，无论是作为碳源石墨的溶解，还是无色钻石晶体的生长析出的过程，触媒都至关重要。触媒包括单质触媒和合金触媒，触媒材料的形状包括片状、粉状、丝状、管状、泡沫状等。温度梯度法合成无色钻石采用的片状合金触媒工业上主要采用熔融铸锭再轧制的方法制备，其触媒片一般采用铁镍触媒（Fe70Ni30），配方中辅以一定比例的、钴、硅、铜等元素。

近几年国内外无色培育钻石合成技术发展迅速，国内很多企业都具备了工业化生产无色钻石的技术实力，中国专利申请公布号CN107268078A公开了一种宝石级无色钻石的人工合成方法。该申请以铁基金属为触媒、配合制备工艺，得到的无色钻石晶型完整一致，粒度均匀、颜色纯正、转化率高，可有效解决现有无色钻石合成周期长、产出率低、一致性差等难题。但是，在规模化量产时，并不能得到粒度4mm以上的无色钻石。同时，该触媒配方需配合该发明中的制备工艺才可制备合格的无色钻石。

宝石级无色钻石的合成，技术条件要求苛刻。触媒作为温度梯度法合成无色钻石的关键要素，其配方和制备工艺的不同，在一定条件下直接影响晶体生长速度和杂质的产生。因此，对于现有技术，仍有进一步改进的必要。

发明内容

为了克服现有技术中的问题，本发明提供了一种宝石级无色钻石用触媒及其制备方法。用本发明的触媒配方制备无色钻石时，可制备获得钻石的粒度在4mm以上，并且相关触媒产品易于生产，所制备钻石结构稳定，催化效果好，产品质量有保障，成品率高，实用性强。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种宝石级无色钻石用触媒，所述触媒为粉状，包括以下重量百分比的原料：Fe 60-80%、Ni 25-35%、0＜Co≤1%、0＜Si≤0.5%、0＜稀土元素≤0.8%。

优选的，所述触媒包括以下重量百分比的原料：Fe 65-75%、Ni 28-32%、Co 0.1-0.8%、Si 0.1-0.4%、稀土元素 0.1-0.6%。

优选的，所述稀土元素为La或Ce。进一步优选为Ce。

优选的，所述触媒包括以下重量百分比的原料：Fe 70%、Ni 29.8%、Co 0.5%、Si0.2%、稀土元素Ce 0.4%。

优选的，所述触媒包括以下重量百分比的原料：Fe 65%、Ni 32%、Co 0.2%、Si0.1%、稀土元素Ce 0.6%。

优选的，所述触媒包括以下重量百分比的原料：Fe 74%、Ni 28%、Co 0.7%、Si0.4%、稀土元素Ce 0.2%。

所述宝石级无色钻石用触媒的制备方法，包括以下步骤：1）熔融混合；2）气雾化制粉；3）一次压制；4）真空处理；5）二次压制。

具体的，所述宝石级无色钻石用触媒的制备方法，包括以下步骤：1）熔融混合，按比例称取触媒原料，先将中频感应电炉抽真空，然后将混合物料放入中频感应电炉内熔化，接着充入氮气保护，其中挥发性元素要在熔化后期加入；2）气雾化制粉，待混合物料充分熔化并达到约145K 的过热度时，开始雾化，在熔炼室下方置有气体雾化喷嘴，当熔融的金属液通过导流嘴流经喷嘴时，被喷嘴射出的高速气体雾化成小液滴，随后合金液滴在雾化气体中飞行时迅速凝固冷却成粉，雾化结束后，将雾化罐和旋风分离器内粉末混匀后进行筛分；3）一次压制，将该合金粉末混合均匀，按照规定尺寸进行一次等静压压制；4）真空处理，将一次压制后的物料放入真空炉中进行真空处理；5）二次压制，按照特定规格尺寸进行二次压制，即可得该专用触媒配方触媒片，真空包装。

优选的，步骤2）气雾化制粉的雾化介质为氮气，雾化压力为2.5-4.5MPa，气雾化制得的合金粉末需过250-300目筛，步骤3）一次压制过程中采用等静压压制，步骤4）真空处理过程中，先将物料在真空炉中于850℃保温6h，再于980℃保温5h。

下面关于稀土元素的选择作简要介绍：

选择添加稀土元素在于：

1. 稀土元素的化学活性很强。稀土元素是位于周期表中第三副族(IIIB族)，包括镧(La)系的15种元素(57-71号)再加上钪(21)、钇(39)共17种元素，称为稀土元素。镧系元素位于周期表中同一格内，化学性质非常相似。稀土元素是典型的金属元素，由于原子半径大，极易失去外层的S电子和Sd电子或4f电子，所以其化学活性很强，仅次于碱金属和碱土金属，比其它金属活泼。按金属的活泼性次序排列，由镧至镥递减，镧最为活泼。稀土的活泼性可以用其电负性大小比较，其电负性(鲍林标度)如下表所列。

同时主要触媒元素的电负性如下表所列。

从上述两表对比可见，稀土元素的电负性均小于Fe、Co、 Ni、 Mn等触媒元素的电负性值，其化学活性比触媒元素要好，可提高触媒的催化活性。

2.稀土元素的氧化还原性强。由于稀土元素电负性较小，金属性较强，可以作为强还原剂。它们的氧化物的生成热，如氧化镧的生成热（1.913MJ/mol)比氧化铝的生成热(1.583 MJ/mol)还大。因此，稀土元素是比铝更好的金属还原剂，它可以将Fe、Co、Ni、Cr等金属及Si等元素的氧化物还原成单质。对于氧、硫、氮、磷及其它非金属有极强的亲和力，稀土氧化物、氮化物较Fe、Co、Ni等氮、氧化合物更稳定，与这些触媒中杂质形成更稳定的化合物，而且这些化合物有较大的晶格常数，难于在Fe-Ni-C合金中迁移，减少了氮、氧、硫等杂质进入钻石晶体的数量，提高无色钻石的净度。

同时，合成无色钻石触媒中，所含的主要杂质元素是氧、硫等元素，其中氧在金刚石生长过程中会形成包裹体、气泡等缺陷影响金刚石的晶体质量。在触媒粉末中，氧的存在方式包括吸附氧、表面氧化物和内部结合氧，其中吸附氧和表面氧化物在后续的触媒片真空热处理过程中可以抽出或还原出，而内部结合氧在后续的热处理中不能完全被消除，本发明利用稀土元素的脱氧性，在FeNi基触媒粉末中添加少量稀土元素来消除或降低粉末中氧含量，以达到净化触媒和提高催化活性的目。

优选Ce作为稀土元素加入FeNi基触媒的原因：

稀土元素的镧系元素位于周期表中同一格内，化学性质非常相似，化学活性由镧至镥递减，镧最为活泼。本发明的触媒配方中优选添加稀土元素铈（Ce）是因为Ce相比La具有稍弱的活性，但Ce单质的纯度比La高，易制得，且其售价较低。

本发明的触媒采用熔融混合-气雾化制粉-一次压制-真空处理-二次压制的生产制备工艺，与常规触媒片先熔融铸锭再轧制的区别与改进：

常规触媒片制备工艺，通过先将触媒配方材料高温熔融制锭成一定形状，然后再根据触媒片规定尺寸直接轧制即可得到；该方法制的的触媒片球形度、合金化程度、化学成分均匀度均不高，杂质含量较高，且在轧制过程中造成很大的触媒原料浪费。本发明采用气雾化法，先将各材料熔融混合均匀，雾化成触媒合金粉末，用该合金粉末根据规定尺寸一次压制，后真空还原处理，最后二次压制成最终标准尺寸。固气雾化技术与传统熔铸技术相比具有明显的优势：1，组织细小，成分均匀，颗粒规则呈球型，表面光滑；2，可扩大元素的固溶度，并可产生一些亚稳相或新相；3，粉末氧含量低，粒度分布较细致；4，污染小，工艺简单，具有直接制备出规模粉末的工业化生产能力；5，不产生边角毛料，触媒原料利用率高，降低生产成本。

和现有技术相比，本发明的有益效果是：

1. FeNi基触媒配方中钴、硅元素的添加降低了碳原子扩散激活能，提高了合成过程中的碳活度，加快了晶体生长速度；

2. 在FeNi基触媒配方中加入稀土元素铈来消除或降低触媒粉末中氧含量，以达到净化触媒和提高催化活性的目；

3. 本发明在制备触媒时采用熔融混合-气雾化制粉-一次压制-真空处理-二次压制的生产制备工艺，制备的触媒组织细小、成分均匀、颗粒规则呈球型、表面光滑，触媒粉末氧含量低、粒度分布较细致。

附图说明

图1为气雾化制粉***的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进行进一步说明，但本发明的实施方式不限于此。需要说明的是，原材料的质量会影响触媒的质量，因此，控制好原材料的纯度显得十分重要，表1为制备触媒所需的原材料的纯度要求。本发明的触媒是采用熔融混合-气雾化制粉-一次压制-真空处理-二次压制的生产工艺制备而成，反应装置如图1所示。

表1 原材料的纯度

名称	纯度要求
		铁	≥99.95%
镍	≥99.99%
		钴	≥99.8%
硅	≥99.7%
		铈	≥99.96%

实施例1

本实施例的宝石级无色钻石用触媒，包括以下重量百分比的原料：Fe 60%、Ni 25%、Co0.1%、Si 0.1%、稀土元素Ce 0.1%。所述宝石级无色钻石用触媒的制备方法，包括以下步骤：1）熔融混合；2）气雾化制粉，雾化介质为氮气，雾化压力为2.5MPa，气雾化制得的合金粉末需过250目筛；3）一次压制，采用等静压压制；4）真空处理，先将物料于真空炉中在850℃保温6h，再于980℃保温5h；5）二次压制。

实施例2

本实施例的宝石级无色钻石用触媒，包括以下重量百分比的原料：Fe 80%、Ni 35%、Co1%、Si 0.5%、稀土元素Ce 0.8%；

触媒的制备方法，同实施例1。

实施例3

本实施例的宝石级无色钻石用触媒配方，包括以下重量百分比的原料：Fe 70%、Ni29.8%、Co 0.5%、Si 0.2%、稀土元素Ce 0.4%；

触媒的制备方法，同实施例1。

实施例4

本实施例的宝石级无色钻石用触媒配方，包括以下重量百分比的原料：Fe 65%、Ni32%、Co 0.2%、Si 0.1%、稀土元素Ce 0.6%；

触媒的制备方法，同实施例1。

实施例5

本实施例的宝石级无色钻石用触媒配方，包括以下重量百分比的原料：Fe 74%、Ni28%、Co 0.7%、Si 0.4%、稀土元素Ce 0.2%；

触媒的制备方法，同实施例1。

对比例1

本对比例所提供触媒配方，与实施例3相比，调整配方如下：

Fe 70%、Ni 29.8%；

触媒的制备方法，同实施例3。

对比例2

本对比例所提供触媒配方，与实施例3相比，调整配方如下：

Fe 70%、Ni 29.8%、稀土元素Ce 0.4%；

触媒的制备方法，同实施例3。

对比例3

本对比例所提供触媒配方，与实施例3相比，调整配方如下：

Fe 70%、Ni 29.8%、Si 0.2%、稀土元素Ce 0.4%；

触媒的制备方法，同实施例3。

对比例4

本对比例所提供触媒配方，与实施例3相比，调整配方如下：

Fe 70%、Ni 29.8%、Co 0.5%、稀土元素Ce 0.4%；

触媒的制备方法，同实施例3。

对比例5

本对比例所提供触媒配方，与实施例3相比，调整配方如下：

Fe 70%、Ni 29.8%、Co 0.5%、Si 0.2%，不含稀土元素；

触媒的制备方法，同实施例3。

对比例6

本对比例所提供触媒配方，与实施例3相比，调整配方如下：

Fe 70%、Ni 29.8%、Co 0.5%、Si 0.2%、稀土元素Ce 0.2%；

触媒的制备方法，同实施例3。

对比例7

本对比例所提供触媒配方，与实施例3相比，调整配方如下：

Fe 70%、Ni 29.8%、Co 0.5%、Si 0.2%、稀土元素Ce 0.6%；

触媒的制备方法，同实施例3。

采用实施例1-5、对比例1-7制备的触媒合成无色钻石。制备方法简要介绍如下：将触媒筛分后，取-200目的触媒粉末与石墨粉按4∶6的比例均匀混合制备金刚石合成块，然后将金刚石合成块放入压机中合成无色钻石，实际合成压力为5.5GPa，合成温度为1430℃左右，合成时间为10h，将得到的无色钻石进行粒度、净度、色度分析，测试结果如表2所示。

表2采用实施例1-5和对比例1-7制备的触媒粉末制备宝石级无色钻石的性能

通过对比例1-4和实施例3，来考察Co 、Si的添加对触媒的性能影响。由表2的数据可以看出，在FeNi基触媒中，加入Co、Si元素对无色钻石的性能有影响，综合分析，加入Co、Si可增加碳活度系数，升高碳活度，提高单产、粒径净度和色度，但是单独添加Co或者Si或其添加量不处于最佳比例时，效果虽有提升，但是一般。

通过对比例5-7和实施例3，来考察加入稀土元素Ce，以及加入量的多少对触媒性能及杂质含量的影响。

通过表2的数据可以得出，在触媒中未加入稀土元素Ce之前，无色钻石的净度、色度、粒度都相对偏低，尤其是净度和色度，加入Ce元素以后，对平均单产的提高不明显，主要是因为无色钻石合成过程中生长范围相对很窄，必须控制一个稳定且有限的生长速度。但是无色钻石的粒度、净度、色度在加入以后有了明显的提高，并且通过对比发现，实施例3相较于对比例6有了更为明显的综合指标提升，但是对比例7相较于实施例3的提升则不再明显，因此综合考虑，触媒中加入Ce的添加量为 0.4%wt。

对对比例5-7和实施例3的触媒粉末进行晶格常数测定，不含Ce和含0.2%Ce、0.4%Ce、0.6%Ce的四种触媒粉末的晶格常数计算值基本相同，均在0.3586nm左右，说明添加微量稀土元素没有引起晶格常数大的变化。所制备的触媒粉末的晶格常数与金刚石的晶格常数(0.3567nm)非常接近，且均为面心立方结构，也说明制备的含稀土的触媒粉末与金刚石的结构匹配较好，符合结构对应原则。

通过化学分析和原子发射光谱分析方法测定制备的触媒粉末的成分组成，利用红外分析仪测定氧等元素含量，测定结果见表3。

表3触媒粉末的元素含量表

从表3数据可以看出，制备的添加微量稀土Ce的触媒粉末中除含有主元素Fe、Ni、Co和Si外，还含有、Ca、Mn、A1、Mg、Cu等多种金属杂质元素，其含量值在0.001-0.032 wt%之间，另外还含有非金属元素C、S、B、O、N以及加入的稀土元素。从量值来看，加入0.2%、0.4%、0.6%的稀土元素Ce后，实际检测值分别为0.002%、0.003%、0.005%，可见加入值相差很大。加入Ce后，氧含量有明显的降低，而未加Ce的触媒氧含量为0.034% ，加入Ce后氧含量分别为0.022%、0.018%、0.017%，可见加入Ce后触媒粉末的氧含量有了不同程度的降低，说明元素Ce起到了脱氧作用，有利于宝石级无色钻石的合成。

因此，通过在触媒中加入Co、Si 和Ce，能够有效提高无色金刚石的性能，且Ce的加入能够有效抑制触媒中的氧含量，且加入比例为0.4wt%。

以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限制本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的原则和构思的前提下所作的等同变化与修改，均应属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种宝石级无色钻石用触媒，其特征在于，所述触媒为粉状，包括以下重量百分比的原料：Fe 60-80%、Ni 25-35%、0＜Co≤1%、0＜Si≤0.5%、0＜稀土元素≤0.8%。

2.根据权利要求1所述宝石级无色钻石用触媒，其特征在于，所述触媒包括以下重量百分比的原料：Fe 65-75%、Ni 28-32%、Co 0.1-0.8%、Si 0.1-0.4%、稀土元素 0.1-0.6%。

3.根据权利要求1或2所述宝石级无色钻石用触媒，其特征在于，所述稀土元素为La或Ce。

4.根据权利要求3所述宝石级无色钻石用触媒，其特征在于，所述触媒包括以下重量百分比的原料：Fe 70%、Ni 29.8%、Co 0.5%、Si 0.2%、稀土元素Ce 0.4%。

5.根据权利要求3所述宝石级无色钻石用触媒，其特征在于，所述触媒包括以下重量百分比的原料：Fe 65%、Ni 32%、Co 0.2%、Si 0.1%、稀土元素Ce 0.6%。

6.根据权利要求3所述宝石级无色钻石用触媒，其特征在于，所述触媒包括以下重量百分比的原料：Fe 74%、Ni 28%、Co 0.7%、Si 0.4%、稀土元素Ce 0.2%。

7.权利要求1-6任一项所述宝石级无色钻石用触媒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1）熔融混合；2）气雾化制粉；3）一次压制；4）真空处理；5）二次压制。

8.根据权利要求7所述宝石级无色钻石用触媒的制备方法，其特征在于，步骤2）气雾化制粉的雾化介质为氮气，雾化压力为2.5-4.5MPa，气雾化制得的合金粉末需过250-300目筛，步骤3）一次压制过程中采用等静压压制，步骤4）真空处理过程中，先将物料在真空炉中于850℃保温6h，再于980℃保温5h。