一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法，所述方法包括：以固态的玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体、固态的异丙醇铝粉末、固态的草酸粉末、固态的乙酰丙酮酸铬(III)结晶粉末和液态的稀硝酸作为起始原料，按照锰尖晶石化学计量比配料制备出锰尖晶石粉末样品，将锰尖晶石粉末样品冷压成圆片并叠加后放置在石墨坩埚中，并将石墨坩埚放置在高温氧气氛炉内进行高温煅烧后制备出圆柱体锰尖晶石样品；将圆柱体锰尖晶石样品进行高温高压反应得到铬掺杂的无水锰尖晶石单晶；解决了高温高压条件下铬掺杂的无水锰尖晶石大颗粒单晶的制备技术空白，以获取大颗粒的铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的实验样品。杂的无水锰尖晶石单晶的实验样品。

【技术实现步骤摘要】
一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法


[0001]本专利技术属于矿物单晶样品合成的
，尤其涉及一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法。

技术介绍

[0002]作为具有化学通式AB2X4的氧化物矿物尖晶石，根据单位晶胞中A位阳离子和B位阳离子的具体晶格的排布情况差异，可将尖晶石型结构分为三种主要类型：(1)正尖晶石型：其化学通式可表示为A[B2]X4，即在尖晶石矿物中占据单位晶胞的四面体晶格配位是由8个具有正二价的A位组成，而占据单位晶胞的八面体晶格配位是由16个具有正三价的B位组成；(2)反尖晶石型：其化学通式可表示为B[AB]X4，即在尖晶石矿物中占据单位晶胞的四面体空隙是由8个B位阳离子组成，而占据单位晶胞的八面体晶格配位是由8个A位阳离子和8个B位阳离子所共同占据组成；(3)混合尖晶石型：其化学通式可表示为A
(1
‑
γ)
B
γ
[A
γ
B
(2
‑
γ)
]X4，即在尖晶石矿物中占据单位晶胞的四面体晶格和八面体晶格配位由不同比例的具有正尖晶石型和反尖晶石型混合而成的。
[0003]锰尖晶石，其化学成分分子式为MnAl2O4，是富含锰的和富含铝的重要氧化物矿物，亦是具有等轴晶系的尖晶石族矿物中的重要端元组分。锰尖晶石矿物学氧化物化学组成百分比可表示为：MnO/(MnO+Al2O3)＝41.0％和Al2O3/(MnO+Al2O3)＝59.0％。通常，锰尖晶石是自然界中较为典型的混合型尖晶石族矿物，对应的单位晶胞中，反尖晶石型的锰尖晶石占比～0.29。在自然界中，锰尖晶石，粒径一般较小，低于1.0毫米以下，常呈现浑圆粒状、八面体状或者泡状出溶物出露，沿{111}方向出现等轴晶系六八面体晶类晶体中的尖晶石双晶律。天然出露的不透明至薄片半透明的锰尖晶石，在单偏光下呈现淡红色、红色至黑色，在正交偏光或者透射光下呈现金黄色、棕橙色、红木红色、深红色和红黑色。已查明的野外区域地质资料研究证实，产自于北美洲鲍尔德诺布的脉状锰矿石中的锰尖晶石，与锰橄榄石、蔷薇辉石、粒硅锰矿等一系列含锰的硅酸盐矿物共生；而产自于东亚的沿燧石层中断层交代脉锰矿床的锰尖晶石，与黑锰矿、粒硅锰矿等富锰的氧化物矿物和硅酸盐矿物共生。
[0004]在锰尖晶石晶体结构中，过渡族金属元素铬是很容易占据八面体位置，进而形成B位三价阳离子的类质同象替换。由于在锰尖晶石中，被取代的铝元素与掺杂的铬元素的化合价均为正三价，因此该类质同象替换属于等价替换。铬元素(Cr)，位于元素周期表的第4周期和第
Ⅵ
B族，原子序数为24，其最外层电子排布为3d54s1。铬元素是自然界中迄今为止已发现的硬度最大的金属元素，其常见的化合物价态主要有+6、+5、+4、+3(主要)、+2、+1、0、
‑
1和
‑
2。在不同的地质区域背景和野外地质构造单元上，过渡族金属铬的元素含量和矿产资源分布存在明显差异，在地壳中的平均丰度约为0.01％，居第17位。在自然界中，铬元素主要富集在铬铅矿中，而呈游离态的金属铬比较罕见。此外，铬元素在太阳系和太平洋中海水表面的平均含量分别为：～20ppm和～0.15ppb。
[0005]作为一种典型的名义无水矿物，锰尖晶石分子结构中并不含有水分子或者羟基，是地球深部中下地壳和上地幔区域普遍存在的氧化物族高压矿物。已有的实验室高温高压
实验模拟和理论计算的矿物物理学模拟结果，表明在深度从410km到660km，对应的压力和温度：16.0
‑
23.0GPa和1450
‑
1800℃的地幔转换带区域广泛存在的电学性质和弹性波传播速度的异常现象，是尖晶石与后尖晶石发生矿物相转变所导致的。纵观国内外实验室材料科学领域采用的人工合成锰尖晶石，主要采用方法包括：金属醇盐溶胶
–
凝胶法、微乳液法、高压水热合成法、碳酸盐化学共沉淀法、高温固态烧结法等。由于现有的这些合成技术，大多均采用简单的溶液化学反应或直接的样品粉体的颗粒物理研磨，再进行高温烧结，对于制备纳米粒度的锰尖晶石晶体较为适用。由于高温高压实验地球科学领域研究中，通常需要微米级粒度或者更大的颗粒的单晶矿物实验样品，显而易见以往材料合成获得的纳米级锰尖晶石样品，未能达到样品最小粒度尺寸要求，迄今为止尚无一个有效的合成方法。以往更多的地球科学研究者，亦通常采用天然锰尖晶石样品取代人工合成样品，去完成高温高压实验地球科学研究的需求，然而这些天然样品存在明显的微量元素铬分布不均一性的弊端。因此，有效地合成出一种大颗粒的铬掺杂的无水锰尖晶石单晶且满足各式高温高压实验室模拟的地球科学研究需求，尤其是高压下锰尖晶石单晶矿物晶格优选方位和晶轴各向异性研究，变得尤为迫切。

技术实现思路

[0006]本专利技术要解决的技术问题是：提供一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法，以解决高温高压条件下铬掺杂的无水锰尖晶石大颗粒单晶的制备技术空白，以获取大颗粒的铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的实验样品。
[0007]本专利技术的技术方案是：
[0008]一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法，所述方法包括：以固态的玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体、固态的异丙醇铝粉末、固态的草酸粉末、固态的乙酰丙酮酸铬(III)结晶粉末和液态的稀硝酸作为起始原料，按照锰尖晶石化学计量比配料制备出锰尖晶石粉末样品，将锰尖晶石粉末样品冷压成圆片并叠加后放置在石墨坩埚中，并将石墨坩埚放置在高温氧气氛炉内进行高温煅烧后制备出圆柱体锰尖晶石样品；将圆柱体锰尖晶石样品进行高温高压反应得到铬掺杂的无水锰尖晶石单晶。
[0009]固态的玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体纯度>99.99％、固态的异丙醇铝粉末纯度>99.99％、固态的草酸粉末纯度>99.99％、固态的乙酰丙酮酸铬(III)结晶粉末纯度>99.99％和液态的稀硝酸浓度为10％。
[0010]所述以固态的玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体、固态的异丙醇铝粉末、固态的草酸粉末、固态的乙酰丙酮酸铬(III)结晶粉末和液态的稀硝酸作为起始原料，按照锰尖晶石化学计量比配料制备出锰尖晶石粉末样品的方法包括：
[0011]步骤1、称量出浓度为10％的稀硝酸60毫升，将玻璃移液棒放在500毫升的缺口烧杯中；
[0012]步骤2、称量出5.0克玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体加入10％浓度的稀硝酸溶液的缺口烧杯中，并放入磁力搅拌转子；
[0013]步骤3、用玻璃表面皿将缺口烧杯口盖上，放置在通风的高温磁力搅拌热盘上，在常温、以700转/分钟转速下反应72小时；
[0014]步骤4、称量出17.7677克固态异丙醇铝粉末和180毫克固态乙酰丙酮酸铬(III)结
晶粉末，分别加入含碳酸锰的稀硝酸溶液中；
[0015]步骤5、用玻璃表面皿将缺口烧杯口盖上；
[0016]步骤本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法，其特征在于：所述方法包括：以固态的玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体、固态的异丙醇铝粉末、固态的草酸粉末、固态的乙酰丙酮酸铬(III)结晶粉末和液态的稀硝酸作为起始原料，按照锰尖晶石化学计量比配料制备出锰尖晶石粉末样品，将锰尖晶石粉末样品冷压成圆片并叠加后放置在石墨坩埚中，并将石墨坩埚放置在高温氧气氛炉内进行高温煅烧后制备出圆柱体锰尖晶石样品；将圆柱体锰尖晶石样品进行高温高压反应得到铬掺杂的无水锰尖晶石单晶。2.根据权利要求1所述的一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法，其特征在于：固态的玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体纯度>99.99％、固态的异丙醇铝粉末纯度>99.99％、固态的草酸粉末纯度>99.99％、固态的乙酰丙酮酸铬(III)结晶粉末纯度>99.99％和液态的稀硝酸浓度为10％。3.根据权利要求1所述的一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法，其特征在于：所述以固态的玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体、固态的异丙醇铝粉末、固态的草酸粉末、固态的乙酰丙酮酸铬(III)结晶粉末和液态的稀硝酸作为起始原料，按照锰尖晶石化学计量比配料制备出锰尖晶石粉末样品的方法包括：步骤1、称量出浓度为10％的稀硝酸60毫升，将玻璃移液棒放在500毫升的缺口烧杯中；步骤2、称量出5.0克玫瑰色三角晶系菱形碳酸锰晶体加入10％浓度的稀硝酸溶液的缺口烧杯中，并放入磁力搅拌转子；步骤3、用玻璃表面皿将缺口烧杯口盖上，放置在通风的高温磁力搅拌热盘上，在常温、以700转/分钟转速下反应72小时；步骤4、称量出17.7677克固态异丙醇铝粉末和180毫克固态乙酰丙酮酸铬(III)结晶粉末，分别加入含碳酸锰的稀硝酸溶液中；步骤5、用玻璃表面皿将缺口烧杯口盖上；步骤6、将缺口烧杯放置在通风的高温磁力搅拌热盘上，在常温、800转/分钟转速下搅拌48小时；步骤7、称量出2克固态草酸粉末加入缺口烧杯；步骤8、将混合液的缺口烧杯再次放在通风的高温磁力搅拌热盘上，盖上玻璃表面皿，在80℃条件下以1000转/分钟转速搅拌36小时；步骤9、移除烧杯的玻璃表面皿，将高温磁力搅拌热盘温度调高至110℃，直至整个缺口烧杯内的混合溶液全部蒸干；步骤10、取出缺口烧杯内的磁力搅拌转子，将样品粉末全部取出放在石墨坩埚中；步骤11、将石墨坩埚放入马弗炉，以300℃/小时的升温速率，升高温度至1100℃，恒温5小时；步骤12、以200℃/小时的降温速率将马弗炉内的样品粉末降至室温，取出样品粉末；步骤13、将样品粉末置于刚玉研钵中分研磨1小时，获得细粒化的和均匀化的锰尖晶石粉末样品。4.根据权利要求1所述的一种高温高压下铬掺杂的无水锰尖晶石单晶的制备方法，其特征在于：将锰尖晶石粉末样品冷压成圆片并叠加后放置在石墨坩埚中，并将石墨坩埚放置在高温氧气氛炉内进行高温煅烧后制备出圆柱体锰尖晶石样品的方法包括：步骤14、将锰尖晶石粉末样品用不锈钢压片机的碳化钨磨冷压成Φ10.0mm
×
3.0mm的
样品圆片共3片，将冷压好的3片样品混合物垂直叠加在一起放置在石墨坩埚中；步骤15、在石墨坩埚壁上采用电钻对称地钻出两个孔径是1.0毫米的对称圆孔；用0.5毫米的铂铑合金丝穿过两个1.0毫米的石墨坩埚壁对称圆孔，使石墨坩埚悬挂在高温氧气氛炉的正中间；连接石墨坩埚的铂铑金属丝两端固定在竖直的0.6毫米孔径的四孔氧化铝管上；四孔氧化铝管上端固定在可以放入和拉出炉体的圆盖子的正中间；...

【专利技术属性】
技术研发人员：代立东，胡海英，
申请(专利权)人：中国科学院地球化学研究所，
类型：发明
国别省市：