金刚石是如何合成的?金刚石的化学合成

来源:Derier蒂爵珠宝 发布:2021-09-23

  “点石成金”一直是人们的梦想,早在公元2世纪左右,炼金术就已初具雏形,但是这-梦想终究未能实现。金刚石卓越的物理化学性质及其作为钻石的光彩闪烁形象吸引了众多的科学家投入到金刚石的研究中。1772年,法国科学家拉瓦锡燃烧金刚石发现产物中仅有二氧化碳,1796 年,英国科学家S. Tennant通过精确燃烧实验首次进行了定量分析,证明了金刚石和石墨都是碳的同素异构体,从此人们总想实现“点碳成金刚石”的梦想。这就是金刚石合成的起因。

钻石 (6).jpg

  1955年美国科学家F. P. Bundy 等中在1300C、5.5 万atm的条件下成功地把石墨转变成金刚石,在他们的文章中表明了实验由公司的同事进行了完全独立的重复。此后此项研究已成为生产粉体金刚石的一种主要技术。

  


  1988年N. R. Greiner 等报道了TNT爆炸法制备纳米级金刚石粉末,拉曼(Raman)光谱未见报道,可能粉体质量有待提高。实验可以重复,也实现了

  产业化。

  1997年,美国宾州大学X. Z. Zhao 等[3]通过加金刚石晶种水热生长成功制

  的金刚石,但加入的金刚石晶种给新形成的金刚石鉴定带来某种困难。

  


  1968年金刚石的膜由J C. Angus 等[]采用CVD技术以CH4或CH2等为原料在高温下气相外延成膜,开创了另- -种化学合成技术,该技术仍为高温条件,但压力很低,目前该技术也实现了产业化。CVD化学反应制金刚石膜的成功,使得人们明白在较低压力和较低温度下化学制备金刚石是可能的。

  1998年李亚栋、钱逸泰等[5]报道了CCI4-金属Na熔体还原Co-Ni合金催化

  合成含有石墨的黑色金刚石粉末。X射线衍射(XRD)和拉曼光谱证实了金刚

  石的形成(图1)。

  


  随后刘建伟、钱逸泰等[6]用金属镁取代上述反应中的金属钠获得了具有八面

  体的微米级n-金刚石,并用XRD和拉曼光谱证实产物为金刚石(图2)。

  


  


  2001年伊利诺伊大学Y. Gogotsi 等[7]在1000°C常压条件下,用氯气加少量

  氢气处理立方碳化硅(SiC), 在此过程中硅氯化成四氯化硅挥发,剩下的碳中含有金刚石。虽然文章中说此种技术将来可能规模生产,但文中仅有电子衍射,未提供XRD图谱,也许是样品量不够。

  


  普林斯顿大学地球科学系De Subarnarekha等[8]认为X. Z. Zhao 和李亚栋

  的化学合成金刚石的工作为深入理解地热条件下天然金刚石的形成提供了新的机理:“最后,Zhao等和李亚栋等最近的实验中使人联想到在黑金刚石的形成过程中,可能还涉及其他因素。这两位作者的工作显示,在明显低的压力、温度和水热条件下,金刚石可以长在数十毫米大小的团聚体……李亚栋等的反应使用

  四氯化碳作为碳源,Na作为还原剂,Ni- Co作为催化.剂……”. .

  但考虑到地壳中不存在四氯化碳,2003 年陈乾旺、楼正松、钱逸泰等报道了用干冰(固体CO2)、金属钠,在不锈钢反应釜中440°C还原热解法合成出微米级金刚石,合成的金刚石有的具有八面体形貌,Raman 光谱非常窄,表明金刚石质量有所提高(图3)。

  


  该工作发表后,HermannSachdev-1o]提出质疑:“即使陈和合作者提供的数

  据是正确的,这些数据也不能作为合成出金刚石的唯一和重要的证据,因为无法分辨出所报道的金刚石的分析数据(XRD,拉曼光谱和SEM图像)与其他相同

  尺寸和形貌(碎的,裂的)人工合成或天然金刚石的数据。”

  2004年,中国科学技术大学邀请了北京大学和南京大学等有关方面专家,以干冰和金属钠为反应原料,在所提供的50多个不锈钢反应釜中随机选取了30个作为反应器,十个一组进行该条件下的金刚石合成验证工作,本实验中所生成的反应产物经CHBr3 (密度: 2. 87~2.9g/cm3)做萃取液来分离石墨(1.9~

  2. 3g/cm2)和金刚石(3. 47~3.52g/cm3)。在其中-组反应釜中制备并检测出

  金刚石物相及颗粒,在反应产物中的X射线粉末衍射谱图上发现了金刚石(111),(220)及(311)三个特征衍射峰(图4),在同一金刚石颗粒三个不同位置,均以激光显微拉曼光谱观察到了金刚石的特征拉曼位移(1332.5em-1)。

  


  纵观金刚石化学合成的历史,可以看出,虽然其合成与制备进展不断,但反应过程重现有难度,目前对所发展合成方法及其反应机理认识尚待深人,因此寻求与发现新的合成反应途径与催化剂,认识反应的过程与机理,提高合成制备过程的重现性对化学、材料科学与地球科学将具有重要的科学意义。


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