[發(fā)明專利]一種Zn/Fe火焰封管法制備石墨的裝置和方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201910490635.7
• 申請(qǐng)日: 2019-06-06
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN110143590A
• 公開(kāi)（公告）日: 2019-08-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉圣華;楊慶華;史慧霞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所
• 主分類號(hào): C01B32/205
• 分類號(hào): C01B32/205
• 代理公司: 北京高沃律師事務(wù)所 11569
• 代理人: 趙曉琳

本發(fā)明屬于石墨制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Zn/Fe火焰封管法制備石墨的裝置和方法。本發(fā)明提供的裝置能夠縮短抽真空的時(shí)長(zhǎng)，提高CO₂試樣的收集效率；Zn/Fe火焰封管法運(yùn)用Zn粉作還原劑，克服了使用H₂或TiH₂作還原劑時(shí)，在系統(tǒng)中產(chǎn)生甲烷的缺點(diǎn)；采用火焰封管法技術(shù)，避免了在線還原法長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)所帶來(lái)的真空系統(tǒng)大氣泄漏問(wèn)題，降低了測(cè)試結(jié)果的本底值，提高了制樣效率。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于石墨制備技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種Zn/Fe火焰封管法制備石墨的裝置和方法。

背景技術(shù)

隨著加速器質(zhì)譜儀(AMS)的發(fā)展和應(yīng)用，¹⁴C(半衰期5730ya)同位素測(cè)年和示蹤技術(shù)已為地質(zhì)學(xué)、海洋學(xué)、環(huán)境科學(xué)、地下水科學(xué)、考古學(xué)以及生物醫(yī)學(xué)等眾多學(xué)科領(lǐng)域的創(chuàng)新研究提供了重要的技術(shù)支撐，而這些應(yīng)用均是建立在¹⁴C同位素的高精度分析基礎(chǔ)之上的。

傳統(tǒng)β衰變計(jì)數(shù)法測(cè)量¹⁴C時(shí)需要將樣品轉(zhuǎn)變成苯進(jìn)行衰變計(jì)數(shù)，該方法具有制樣周期長(zhǎng)、樣品量大(>1g碳)、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)試精度低等缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約了¹⁴C的應(yīng)用范圍和分析效率。而加速器質(zhì)譜法無(wú)論是在工作效率方面，還是測(cè)試時(shí)間和精度方面均明顯優(yōu)于β衰變計(jì)數(shù)法，特別是樣品用量少(僅需μg～mg碳)的特點(diǎn)為進(jìn)行分子化合物¹⁴C分析提供了可能。但高精度低本底的AMS-¹⁴C測(cè)量需要高質(zhì)量的石墨樣品靶，這就對(duì)石墨的制備裝置和制備方法提出了更高的要求。

石墨作為現(xiàn)階段的AMS-¹⁴C分析常規(guī)靶材，其制備方法很多，如高壓法、高溫法、高溫高壓法、裂解法和催化還原法；其中高壓法、高溫法、高溫高壓法和裂解法的設(shè)備復(fù)雜、昂貴且效率低下，應(yīng)用受到很大限制；催化還原法相比于其他方法具有較多優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是較為理想的石墨靶制備方法。催化還原法包括CO₂制取、CO₂純化和CO₂催化還原三個(gè)基本步驟，其中CO₂催化還原是制備石墨的關(guān)鍵，因此得到了研究者的廣泛關(guān)注，目前常用的催化還原法有H₂/Fe在線法，Zn/Fe在線法和TiH₂-Zn/Fe法。

H₂/Fe在線法是由Vogel等首先提出，該法使用Fe粉作為催化劑，H₂作還原劑，聯(lián)合將CO₂還原成石墨。純化后的CO₂用冷阱轉(zhuǎn)移到石墨化單元中，按照一定比例混入H₂，在線加熱到550～650℃時(shí)反應(yīng)開(kāi)始發(fā)生，首先CO₂被H₂還原成CO，CO再經(jīng)Fe催化還原成石墨，生成的石墨附著在Fe粉表面。因?yàn)榉磻?yīng)過(guò)程中有水蒸汽產(chǎn)生，需用冷阱或MgClO₄使水蒸汽脫離反應(yīng)體系，但殘留的水蒸氣仍會(huì)對(duì)石墨品質(zhì)產(chǎn)生影響。

Zn/Fe在線法與H₂/Fe在線法基本相同，不同的是使用了安全性更高的Zn粉替代了H₂作為還原劑，有效避免了反應(yīng)體系中水蒸汽的生成。Zn/Fe在線法的反應(yīng)過(guò)程中需分別在Zn粉和Fe粉部位采用400℃和550℃溫度加熱，促使CO₂→CO和CO→C(石墨)化學(xué)反應(yīng)循環(huán)進(jìn)行，最終所有的CO₂被還原成石墨并沉積在Fe粉表面。

TiH₂-Zn/Fe法通常被認(rèn)為存在兩種還原劑(H₂和Zn粉)，類似H₂/Fe法和Zn/Fe法組合，能夠克服彼此缺點(diǎn)和發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，一定程度上加快了化學(xué)反應(yīng)速率。

上述方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，但各方法實(shí)施過(guò)程中用到的裝置結(jié)構(gòu)基本一致，分為真空維持系統(tǒng)和石墨制備系統(tǒng)兩部分，其中真空維持系統(tǒng)在抽真空時(shí)，耗時(shí)較長(zhǎng)，影響了石墨的制備效率。

發(fā)明內(nèi)容