CN112143938B - 砷化镉的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种成本低廉、操作简单、反应过程易控的砷化镉的制备方法，包含步骤：a.混料：将砷和镉按照2：3的摩尔比装入混料装置中，然后通入惰性气体置换混料装置中的空气，加入锆球后进行混料均匀；b.烧结：将步骤a混好的料装入烧结装置中，升温至300℃‑380℃，同时通入惰性气体，进行保温反应，反应完成后在装置内自然降温；c.破碎：将步骤b得到的物料破碎成‑50目的粒子；d.氢化：将步骤c得到的粒子进行氢化处理，氢化温度为500℃‑550℃；e.氢化处理完成后，在装置内自然降温得到砷化镉。本公开提供的砷化镉的制备方法不仅能保证反应过程中的砷和镉的化学计量比，最终得到的砷化镉中砷的含量在理论范围，并且游离镉的含量小于100ppm。

Description

砷化镉的制备方法
技术领域
本公开涉及拓扑狄拉克材料，具体涉及砷化镉的制备方法。
背景技术
砷化镉的化学式为Cd3As2，为灰黑色立方系晶体，其分子量为487.04，熔点为721℃，相对密度为6.2115，易溶于硝酸，微溶于盐酸，不溶于水和王水。砷化镉遇酸能释放出AsH3，遇氧化剂则能燃烧。砷化镉的能带结构具有无能隙、电子有效质量为零的线性色散关系，具有新的光、电、磁等特性。与传统半导体相比，砷化镉具有强自旋耦合，量子特性，超高迁移率及宽光谱吸收特性，因而在自旋电子、量子信息和光电探测等领域有重大应用前景。
然而，目前砷化镉粉体的制备工艺鲜有报道，通常采用砷蒸气和镉蒸气高温化合而成，其制备过程不易控制，且容易造成As缺失，造成化学计量比偏移，并且含有大量的游离镉。
上述的说明仅是提供背景技术，并未承认上文的“背景技术”构成本公开的现有技术。
发明内容
鉴于背景技术存在的问题，本公开的目的在于提供一种成本低廉、操作简单、反应过程易控的砷化镉的制备方法。
在一实施例中，本公开的砷化镉的制备方法包含步骤：
a.混料：将砷和镉按照2：3的摩尔比装入混料装置中，然后通入惰性气体置换混料装置中的空气，加入锆球后进行混料均匀；
b.烧结：将步骤a混好的料装入烧结装置中，升温至300℃-380℃，同时通入惰性气体，进行保温反应，反应完成后在装置内自然降温；
c.破碎：将步骤b得到的物料破碎成-50目的粒子；
d.氢化：将步骤c得到的粒子进行氢化处理，氢化温度为500℃-550℃；
e.氢化处理完成后，在装置内自然降温得到砷化镉。
本公开的有益效果如下：
本公开的砷化镉制备方法不仅能保证反应过程中的砷和镉的化学计量比，最终得到的砷化镉中砷的含量在理论范围，并且游离镉的含量小于100ppm。
具体实施方式
应理解的是，所公开的实施例仅是本公开的示例，本公开可以以各种形式实施，因此，本公开的具体细节不应被解释为限制，而是仅作为权利要求的基础且作为表示性的基础用于教导本领域普通技术人员以各种方式实施本公开。
在本公开的说明中，未明确说明的术语、专业用词均为本领域技术人员的公知常识，未明确说明的方法均为本领域技术人员公知的常规方法。
在本公开的说明中，“镉含量”指的是制备的砷化镉产品中所有镉元素的百分含量，“游离镉”指的是制备的砷化镉产品中镉单质，“游离镉含量”指的是制备的砷化镉产品中镉单质的百分含量，“杂质元素”指的是除砷和镉以外的元素，“理论镉含量”指的是在砷化镉单个分子式中镉元素的质量占砷元素和镉元素总质量的百分含量。
在一实施例中，本公开的砷化镉的制备方法包含步骤：
a.混料：将砷和镉按照2：3的摩尔比装入混料装置中，然后通入惰性气体置换混料装置中的空气，加入锆球后进行混料均匀；
b.烧结：将步骤a混好的料装入烧结装置中，升温至300℃-380℃，同时通入惰性气体，进行保温反应，反应完成后在装置内自然降温；
c.破碎：将步骤b得到的物料破碎成-50目的粒子；
d.氢化：将步骤c得到的粒子进行氢化处理，氢化温度为500℃-550℃；
e.氢化处理完成后，在装置内自然降温得到砷化镉。
在一实施例中，混料装置为3D混料桶。
在一些实施例中，在步骤a中，砷为-100目的砷粉，镉为-100目的镉粉，这样可以更好地保证砷和镉能够充分地混合，提高最终砷化镉产品的纯度，并且降低产品中游离镉的含量。
在一些实施例中，在步骤a中，砷和镉的装料量为混料装置可容纳体积的1/4-1/3。混料装置中的装料量不能过大，过大会导致物料混合不均匀、不充分，不利于降低产品中游离镉的含量。
在步骤a中，锆球可以起到分散粉末的作用，促进混料混合的均匀性，锆球的加入量不宜过大，过大会导致最终砷化镉产品中存在过多的锆，不利于产品纯度。在一实施例中，在步骤a中，以砷和镉的总质量计，锆球加入量优选为每10kg砷和镉中加入5-6个直径为30mm的锆球，更优选为每10kg砷和镉中加入6个直径为30mm的锆球。
在一些实施例中，在步骤a中，混料的转速为15-20转/min，混料的时间为3h-6h。这样可以更好地保证砷和镉能够充分地混合，提高最终砷化镉产品的纯度，并且降低产品中游离镉的含量。
在一些实施例中，步骤b中的烧结装置为气氛烧结炉。
在一些实施例中，在步骤b中，升温的速率为8℃/min-15℃/min，保温反应时间为50-70min。
在步骤d中，氢化处理的时间不宜过短，氢化处理过短会导致砷化镉产品中存在未被氢化处理的残留砷，不利于最终砷化镉的产品纯度。在一些实施例中，在步骤d中，氢化处理的时间为8h-10h。在一实施例中，氢化处理过程在氢气气氛炉中进行。
下面结合实施例，进一步阐述本公开。应理解，这些实施例仅用于说明本公开而不用于限制本公开的范围。
在下述实施例、对比例中，所使用到的试剂、材料以及仪器如没有特殊的说明，均可商购获得或本领域中公知的方法制备获得。
实施例1
将-100目砷粉和-100目镉粉按摩尔比2：3装入3D混料罐中，砷和镉总质量为10kg，装料量为混料罐体积的1/4，然后通入惰性气体置换三次，加入6个直径为30mm的锆球后进行混料，其中，混料的转速为15转/min，混料的时间为6h；将混好的料装入气氛烧结炉中，所用气氛为惰性气体，以15℃/min升温至380℃，保温反应50min，随炉降温；之后，将烧结得到的物料破碎成-50目的颗粒；最后，装入氢气气氛炉中进行氢化处理，氢化温度500℃，氢化时间10h，随炉降温得到砷化镉粉末。
实施例2
将-100目砷粉和-100目镉粉按摩尔比2：3装入3D混料罐中，砷和镉总质量为10kg，装料量为混料罐体积的1/3，然后通入惰性气体置换三次，加入6个直径为30mm的锆球后进行混料，其中，混料的转速为20转/min，混料的时间为3h；将混好的料装入气氛烧结炉中，所用气氛为惰性气体，以8℃/min升温至350℃，保温反应50min，随炉降温；之后，将烧结得到的物料破碎成-50目的颗粒；最后，装入氢气气氛炉中进行氢化处理，氢化温度550℃，氢化时间8h，随炉降温得到砷化镉粉末。
实施例3
将-100目砷粉和-100目镉粉按摩尔比2：3装入3D混料罐中，砷和镉总质量为10kg，装料量为混料罐体积的1/3，然后通入惰性气体置换三次，加入6个直径为30mm的锆球后进行混料，其中，混料的转速为18转/min，混料时间为5h；将混好的料装入气氛烧结炉中，所用气氛为惰性气体，以12℃/min升温至360℃，保温反应60min，随炉降温；之后，将烧结得到的物料破碎成-50目的颗粒；最后，装入氢气气氛炉中进行氢化处理，氢化温度530℃，氢化时间9h，随炉降温得到砷化镉粉末。
实施例4
将-100目砷粉和-100目镉粉按摩尔比2：3装入3D混料罐中，砷和镉总质量为10kg，装料量为混料罐体积的1/2，然后通入惰性气体置换三次，加入6个直径为30mm的锆球后进行混料，其中，混料的转速为10转/min，混料时间为2h；将混好的料装入气氛烧结炉中，所用气氛为惰性气体，以5℃/min升温至380℃，保温反应70min，随炉降温；之后，将烧结得到的物料破碎成-50目的颗粒；最后，装入氢气气氛炉中进行氢化处理，氢化温度550℃，氢化时间9h，随炉降温得到砷化镉粉末。
对比例1
将-100目砷粉和-100目镉粉按摩尔比2：3装入3D混料罐中，砷和镉总质量为10kg，装料量为混料罐体积的1/3，然后通入惰性气体置换三次，加入6个直径为30mm的锆球后进行混料，其中，混料的转速为20转/分钟，混料时间为3h；将混好的料装入气氛烧结炉中，所用气氛为惰性气体，以9℃/min升温至370℃，保温反应50min，随炉降温；之后，将烧结得到的物料破碎成-50目的颗粒；最后，装入氢气气氛炉中进行氢化处理，氢化温度450℃，氢化时间5h，随炉降温得到砷化镉粉末。
对比例2
将-100目砷粉和-100目镉粉按摩尔比1:1.5装入3D混料罐中，砷和镉总质量为10kg，装料量为混料罐体积的1/3，然后通入惰性气体置换一次，加入2个直径为10mm的锆球后进行混料，其中，混料的转速为20转/分钟，混料时间为3h；将混好的料装入气氛烧结炉中，所用气氛为惰性气体，以9℃/min升温至370℃，保温反应50min，随炉降温；之后，将烧结得到的物料破碎成-50目的颗粒；最后，装入氢气气氛炉中进行氢化处理，氢化温度450℃，氢化时间5h，随炉降温得到砷化镉粉末。
对比例3
将-100目砷粉和-100目镉粉按摩尔比2：3装入3D混料罐中，砷和镉总质量为10kg，装料量为混料罐体积的1/3，然后通入惰性气体置换三次，加入6个直径为30mm的锆球后进行混料，其中，混料的转速为18转/min，混料时间为5h；将混好的料装入气氛烧结炉中，所用气氛为惰性气体，以12℃/min升温至360℃，保温反应60min，随炉降温；之后，将烧结得到的物料装入氢气气氛炉中进行氢化处理，氢化温度530℃，氢化时间9h，随炉降温得到砷化镉粉末。
最后说明实施例1-4和对比例1-3得到的砷化镉测试过程。
(1)杂质元素含量测试
采用电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS，生产厂家为PE公司，型号为：DRC-II)对产品进行杂质检测。电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)的检测条件为：温度为18℃～28℃，相对湿度为30～70％，洁净度为1000级；检测方式为：待测元素经过等离子体高温电离后，以正电荷形式进入质量分析器，根据质量/电荷比的差异，被检测器接收，产生信号。通过待测元素产生的信号和该元素标准物质产生的信号的比值得出待测元素含量。
(2)镉含量测试
采用滴定法测试镉含量：将得到的产品用王水溶解，调节酸度，用二甲酚橙做指示剂，EDTA标准溶液滴定，EDTA溶液滴定至溶液由紫红色变为亮黄色时结束，根据消耗的EDTA的量和试样的重量计算得到镉的含量。
(3)游离镉含量测试
采用差示扫描量热仪(DSC)测试游离镉的含量，以游离Cd的加标浓度为横坐标，游离Cd的热流信号强度为纵坐标绘制工作曲线；根据工作曲线测定样品游离Cd的信号强度求得样品游离镉的含量。
实施例1-4和对比例1-3的砷化镉的测试结果如表1-表2所示。
表1实施例1-4和对比例1-3制备得到的砷化镉中的杂质元素含量结果
Figure GDA0003185171720000061
表2实施例1-4和对比例1-3制备得到的砷化镉中的镉含量和游离镉含量结果
Figure GDA0003185171720000062
Figure GDA0003185171720000071
从表1和表2的测试结果可以看出，利用本公开的砷化镉的制备方法得到的实施例1-4的砷化镉产品，其杂质元素含量低，且镉含量十分接近砷化镉中的理论镉含量。进一步地，实施例1-3的装料量为混料罐体积的1/4-1/3之间、混料的转速在15-20转/min之间且混料时间为3h-6h，其制备得到的砷化镉中的镉含量相对于实施例4更加接近于理论含量值。
然而，对比例1中的氢化温度低于500℃，对比例2中的加入锆球相对较少且氢化温度低于500℃，对比例3中未采用破碎步骤处理，其制备得到的砷化镉中镉含量均偏离理论含量值，而游离镉的含量相对于实施例1-4也非常大，不利于砷化镉产品的纯度提高，对后续的砷化镉应用产生不利影响。

Claims (4)

1.一种砷化镉的制备方法，其特征在于，包括步骤：
a.混料：将砷和镉按照2：3的摩尔比装入混料装置中，然后通入惰性气体置换混料装置中的空气，加入锆球后进行混料均匀；
b.烧结：将步骤a混好的料装入烧结装置中，升温至300℃-380℃，同时通入惰性气体，进行保温反应，反应完成后在装置内自然降温；
c.破碎：将步骤b得到的物料破碎成-50目的粒子；
d.氢化：将步骤c得到的粒子进行氢化处理，氢化温度为500℃-550℃；
e.氢化处理完成后，在装置内自然降温得到砷化镉；
在步骤a中，砷为-100目的砷粉，镉为-100目的镉粉；
在步骤a中，砷和镉的装料量为混料装置可容纳体积的1/4-1/3；
在步骤a中，以砷和镉的总质量计，锆球加入量为每10kg砷和镉中加入6个直径为30mm的锆球；
在步骤a中，混料的转速为15-20转/min，混料的时间为3h-6h；
在步骤b中，升温的速率为8℃/min-15℃/min，保温反应时间为50-70min；
在步骤d中，氢化处理的时间为8h-10h。
2.根据权利要求1所述的砷化镉的制备方法，其特征在于，所述混料装置为3D混料桶。
3.根据权利要求1所述的砷化镉的制备方法，其特征在于，所述烧结装置为气氛烧结炉。
4.根据权利要求1所述的砷化镉的制备方法，其特征在于，氢化处理过程在氢气气氛炉中进行。
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