CN100404712C - 一种制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，该方法包括以下步骤：将纯度大于99%的碱金属氮化物或碱土金属氮化物，锰粉及氧化物按一定比例混合均匀后放入反应容器中，将该反应容器置于充有高纯度氮气的密闭环境中，将反应容器的温度升至700-900℃，保温2-6小时后使其自然冷却，取出反应产物，以去离子水浸泡、清洗，干燥后得到相应的反钙钛矿型锰基氮化物。采用本发明方法，在温度低至700℃的条件下，2小时内即可制备反钙钛矿型锰基氮化物，反应迅速、成本低廉、设备简单、易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备反钙钛矿型锰基氮化物的合成方法，特别涉及一种采用碱金属或碱土金属氮化物、锰粉与氧化物发生化学反应合成反钙钛矿型锰基氮化物的方法。
背景技术
大多数的固体材料显示热膨胀特性，他们的晶格常数在压力不变的情况下随温度的增加而增加；相比之下，小部分材料显示出负热膨胀的奇特效应。负膨胀材料可以与热膨胀材料在一定的条件下制成具有零膨胀系数的复合材料，这种材料在高精度的光学及机械部件如布拉格衍射光栅等方面有着重要的应用。反钙钛矿型的锰基氮化物是具有负膨胀效应而有着巨大潜在应用价值的一类材料，近年来引起了人们的关注(参阅文献1：Takenaka.K，et al，Appl.Phys.Lett，87(2005)261902；参阅文献2：Chi.E.O，et al，Solid State Commun.120(2001)307)。目前，通用型的合成反钙钛矿型锰基氮化物的方法很少，现有的方法主要是采用流动的氮气与金属锰粉于700℃反应60小时，制备Mn2N。将制备的Mn2N与纯金属粉末(纯度＞99.9％)按照化学计量比混合压片，用钽箔包裹，放入石英管中抽真空至10-6Pa后，于800℃反应60小时，制备相应的锰基氮化物(参阅文献3：Kim.W.S，et al，Phys.Rev.B，68(2003)172402；)。这种反应需要的时间较长，制备工艺烦琐，同时一些金属如镓在30℃左右即呈液态，采用这种方法无法制备得到相应的化合物。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种反应时间短、成本低廉的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法。
为实现上述目的，本发明一种制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，该方法包括以下步骤：将纯度大于99％的氮化锂或氮化钙或氮化镁，锰粉及铜、镓、锌、铬、锗金属氧化物之一按一定比例混合均匀后放入反应容器中，其中，Mn粉与铜、镓、锌、铬、锗金属氧化物之一按照锰与其中金属元素的摩尔比3∶1的比例混合，锰粉与氮化锂或氮化钙或氮化镁比例为3∶1-2，将该反应容器置于充有高纯度氮气的密闭环境中，将反应容器的温度升至700-900℃，保温2-6小时后使其自然冷却，取出反应产物，以去离子水浸泡、清洗，干燥后得到相应的反钙钛矿型锰基氮化物。
进一步，所述氮化锂或氮化钙或氮化镁通过以下方法得到：以纯度为99.9％的锂、钙或镁，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟后再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟后自然冷却得到。
进一步，所述氮化锂或氮化钙或氮化镁与铜、镓、锌。铬、锗氧化物之一和锰粉在玛瑙碾磨中磨碎并混合均匀后将混合料压片。
所述的铜、镓、锌、铬、锗金属氧化物为氧化铜、氧化镓、氧化锌、氧化铬和氧化锗。
进一步，所述氮化锂、氧化铜和锰粉的摩尔比为1∶1∶3-2∶1.2∶3.6，反应温度为700℃-900℃，反应时间为2-6小时。
进一步，所述氮化锂、氧化锌和锰粉的摩尔比为1∶1∶3-2∶1.2∶3.6，反应温度为700℃-900℃，反应时间为2-6小时。
进一步，所述氮化锂、氧化镓和锰粉的摩尔比为1∶0.5∶3-2∶0.5∶3.5，反应温度为700℃-900℃，反应时间为2-6小时。
进一步，所述氮化锂、氧化铬和锰粉的摩尔比为1∶0.5∶3-2∶0.5∶3.5，反应温度为700℃-900℃，反应时间为2-6小时。
进一步，所述氮化锂、氧化锗和锰粉的摩尔比为1∶1∶3-2∶1.2∶3.6，反应温度为700℃-900℃，反应时间为2-6小时。
进一步，所述反应容器为不锈钢坩埚、碳化钨坩埚或氮化铝坩埚，所述反应容器置于充有氮气的密封石英管中。
与现有技术相比，采用本发明方法，在温度低至700℃的条件下，2小时内即可制备反钙钛矿型锰基氮化物，反应迅速、成本低廉、设备简单、易于推广。另外，由于本发明中碱金属或碱土金属氮化物通过纯度大于99.9％的碱金属或碱土金属与流动氮气直接反应得到，保证了碱金属或碱土金属氮化物的纯度，并且避免了碱金属或碱土金属氮化物保存过程中发生氧化导致反应产物纯度不高的情况。
附图说明
图1是采用本发明的方法制备的Mn3GaN的X射线衍射图谱；
图2是采用本发明的方法制备的Mn3ZnN的X射线衍射图谱；
图3是采用本发明的方法制备的Mn3CuN的X射线衍射图谱；
图4是采用本发明的方法制备的Mn3CrN的X射线衍射图谱；
图5为实施例4中生成的样品的扫描电镜照片；
图6为实施例10中生成的样品的扫描电镜照片。
具体实施方式：
实施例一
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.01mol合成的氮化锂，0.01mol的氧化铜与0.03mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至700℃。在此温度下保温6小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3CuN的粉末。
实施例二
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.015mol合成的氮化锂，0.01mol的氧化铜与0.03mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至800℃。在此温度下保温4小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3CuN的粉末。
实施例三
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.02mol合成的氮化锂，0.012mol的氧化铜与0.036mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.3个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至900℃。在此温度下保温2小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3CuN的粉末。
实施例四
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.01mol合成的氮化锂，0.005mol的氧化镓与0.03mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至700℃。在此温度下保温6小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3GaN的粉末。
实施例五
以纯度为99％的金属钙为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化钙。称取0.01mol合成的氮化钙，0.01mol的氧化镓与0.06mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化钙成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至800℃。在此温度下保温4小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，真空干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3GaN粉末。
实施例六
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.02mol合成的氮化锂，0.005mol的氧化镓与0.035mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.3个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至900℃。在此温度下保温2小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3GaN的粉末。
实施例七
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.01mol合成的氮化锂，0.01mol的氧化锌与0.03mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至700℃。在此温度下保温6小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3ZnN的粉末。
实施例八
以纯度为99％的金属镁为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化镁。称取0.01mol合成的氮化镁，0.02mol的氧化锌与0.06mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化镁成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至700℃。在此温度下保温6小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3ZnN的粉末。
实施例九
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.02mol合成的氮化锂，0.012mol的氧化锌与0.036mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.3个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至900℃。在此温度下保温2小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3ZnN的粉末。
实施例十
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.01mol合成的氮化锂，0.005mol的氧化铬与0.03mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至700℃。在此温度下保温6小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到棕色的目标产物Mn3CrN的粉末。
实施例十一
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.015mol合成的氮化锂，0.005mol的氧化铬与0.03mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至800℃。在此温度下保温4小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到棕色的目标产物Mn3CrN的粉末。
实施例十二
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.02mol合成的氮化锂，0.005mol的氧化铬与0.035mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的碳化钨坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.3个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至900℃。在此温度下保温2小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到棕色的目标产物Mn3CrN的粉末。
实施例十三
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.01mol合成的氮化锂，0.01mol的氧化锗与0.03mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的氮化铝坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至700℃。在此温度下保温6小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3GeN粉末。
实施例十四
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.015mol合成的氮化锂，0.01mol的氧化锗与0.03mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以15MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至800℃。在此温度下保温4小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3GeN粉末。
实施例十五
以纯度为99％的金属锂为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟；再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟；关闭电源，随炉冷却，合成氮化锂。称取0.02mol合成的氮化锂，0.012mol的氧化锗与0.036mol的锰粉放入玛瑙碾磨中碾磨至氮化锂成粉状，两者混合均匀，使用压片机对粉末施以20MPa的压力，将粉末压成片状后装入外径为16mm，内径为14mm，高为15mm的不锈钢做成的坩埚中，将坩埚装入石英管中并同时迅速接上抽真空系统抽真空至10-4Pa后，再充以0.4个大气压纯度为99.999％的氮气，然后封闭石英管，4小时内升温至900℃。在此温度下保温2小时，关闭电源，随炉冷却至室温。将石英玻璃敲碎，将样品取出，以去离子水浸泡、清洗产物，干燥后，即可得到黑色的目标产物Mn3GeN粉末。
另外，在本发明的过程中，所述氮化锂、氮化钙、氮化镁可采用纯度足够的成品。
如图1-4所示，分别为采用本发明方法得到的Mn3GaN，Mn3CuN，Mn3ZnN，Mn3CrN和Mn3GeN的X射线衍射图谱，从中可以看出，得到的产物为单相，不含杂质；图5-6分别为Mn3GaN和Mn3CrN的扫描电镜照片，从图中可以看出反应产物的粒径比较均匀。
Claims (10)
1.一种制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：将纯度大于99％的氮化锂或氮化钙或氮化镁，锰粉及铜、镓、锌、铬、锗金属氧化物之一按一定比例混合均匀后放入反应容器中，其中，Mn粉与铜、镓、锌、铬、锗金属氧化物之一按照锰与其中金属元素的摩尔比3∶1的比例混合，锰粉与氮化锂或氮化钙或氮化镁比例为3∶1-2，将该反应容器置于充有高纯度氮气的密闭环境中，将反应容器的温度升至700-900℃，保温2-6小时后使其自然冷却，取出反应产物，以去离子水浸泡、清洗，干燥后得到相应的反钙钛矿型锰基氮化物。
2.如权利要求1所述的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，所述氮化锂、氮化钙或氮化镁通过以下方法得到：以纯度为99.9％的锂、钙或镁为原料，在纯度为99.999％的流动氮气的气氛下，以15℃/分钟的速率从室温升至450℃，保温30分钟后再以10℃/分钟的速率升温至600℃，保温60分钟后自然冷却得到。
3.如权利要求1所述的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，所述氮化锂、氮化钙或氮化镁与铜、镓、锌。铬、锗氧化物之一和锰粉在玛瑙碾磨中磨碎并混合均匀后将混合料压片。
4.如权利要求1所述的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，所述铜、镓、锌、铬、锗金属氧化物为氧化铜、氧化镓、氧化锌、氧化铬和氧化锗。
5.如权利要求4所述的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，所述氮化锂、氧化铜和锰粉的摩尔比为1∶1∶3-2∶1.2∶3.6。
6.如权利要求4所述的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，所述氮化锂、氧化锌和锰粉的摩尔比为1∶1∶3-2∶1.2∶3.6。
7.如权利要求4所述的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，所述氮化锂、氧化镓和锰粉的摩尔比为1∶0.5∶3-2∶0.5∶3.5。
8.如权利要求4所述的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，所述氮化锂、氧化铬和锰粉的摩尔比为1∶0.5∶3-2∶0.5∶3.5。
9.如权利要求4所述的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，所述氮化锂、氧化锗和锰粉的摩尔比为1∶1∶3-2∶1.2∶3.6。
10.如上述任意一项权利要求所述的制备反钙钛矿型锰基氮化物的方法，其特征在于，所述反应容器为不锈钢坩埚、碳化钨坩埚或氮化铝坩埚，所述反应容器置于充有氮气的密封石英管中。
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