本發(fā)明屬于功能材料合成領(lǐng)域，尤其涉及一種在高溫高壓下制備菱鎂鐵礦的方法。
背景技術(shù)：
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地球的碳循環(huán)問題一直被廣泛關(guān)注，而深部碳循環(huán)的研究尤其重要。在地球內(nèi)部，碳的存在形式主要為碳酸鹽、碳化鐵、金剛石等，其中菱鎂礦(MgCO3)被認(rèn)為是在下地幔的溫度壓力條件下最為穩(wěn)定的碳儲備的主要形式。研究表明，在下地幔存在的菱鎂礦(MgCO3)往往和菱鐵礦(FeCO3)類質(zhì)同象形成菱鎂鐵礦(Mg1-xFexCO3)，而菱鎂鐵礦在高溫高壓下的自旋相變等物理性質(zhì)對下地幔彈性、地震波波速的研究有著重要的價值。而天然存在的菱鎂鐵礦一般和菱錳礦、菱鋅礦等形成類質(zhì)同象，很難達(dá)到實驗研究所需要的純度，此外，無法控制研究所需要的鐵鎂固溶度x也是需要解決的一個難題。因此，探索人工合成高純度菱鎂鐵礦的方法是研究菱鎂鐵礦必要的基礎(chǔ)；目前，唯一報道的菱鎂鐵礦的合成是采用水熱法進(jìn)行制備，存在反應(yīng)時間長，一般需要幾十個小時，反應(yīng)復(fù)雜、制備的菱鎂鐵礦結(jié)晶程度差等問題。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
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本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種在高溫高壓下制備菱鎂鐵礦的方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)采用水熱法制備菱鎂鐵礦，存在的反應(yīng)時間長，反應(yīng)復(fù)雜、制備的菱鎂鐵礦結(jié)晶程度差等問題。
本發(fā)明技術(shù)方案：
一種在高溫高壓下制備菱鎂鐵礦的方法，它包括：
步驟1、使用分析純的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂作為起始原料；
步驟2、按照化學(xué)計量摩爾比將原料稱量，放在研缽里，加入酒精和丙酮為2：1的混合液，然后研磨直至液體全部揮發(fā)；
步驟3、使用壓片機(jī)將研磨后的原料混合物壓成圓柱體，使用銀箔將其包裹做成樣品；
步驟4、將氯化鈉研磨成200目以上的粉末，置于烘箱中以150℃溫度下烘干2小時；
步驟5、用烘干后的氯化鈉粉末制備內(nèi)含步驟2所述的原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體樣品；
步驟6、將樣品組裝在高壓合成組裝塊中并放置在六面頂大壓機(jī)進(jìn)行高溫高壓反應(yīng)；
步驟7、將反應(yīng)后的樣品取出，清除樣品表面銀箔，即得到純的菱鎂鐵礦。
步驟5所述的用烘干后的氯化鈉粉末制備內(nèi)含用銀箔包裹的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂的原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體樣品的制備方法為：將氯化鈉粉末在粉末壓片機(jī)中壓成氯化鈉圓柱體，然后將用銀箔包裹的原料混合物圓柱體放在氯化鈉圓柱體上表面的中間位置，再往用銀箔包裹的原料混合物圓柱體上加蓋氯化鈉粉末，然后在粉末壓片機(jī)中1MPa條件下壓實，得到內(nèi)含用銀箔包裹的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂的原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體樣品。
步驟6所述的將步驟5的樣品組裝在高壓合成組裝塊中的方法包括：
步驟6.1、選取一塊葉臘石塊，在葉臘石塊中心打一個圓形通孔；
步驟6.2、在圓形通孔內(nèi)套一個圓形的石墨加熱爐；
步驟6.3、在石墨加熱爐中間放置用銀箔包裹的樣品；
步驟6.4、將圓形石墨加熱爐上下兩端用葉臘石堵頭密封。
所述的高壓合成組裝塊內(nèi)設(shè)置有熱電偶。
步驟6所述高溫高壓反應(yīng)的溫度為700℃-800℃，壓力為1-3GPa，反應(yīng)時間為2個小時。。
本發(fā)明的有益效果：
本發(fā)明采用分析純的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂混合物作為起始原料，在高溫高壓下，采用固相反應(yīng)法獲得菱鎂鐵礦，其原理為：
在常壓下還原性氛圍中，由于菱鐵礦(FeCO3)熱分解溫度極低，二水草酸亞鐵在200℃左右直接分解為氧化亞鐵，無法獲得菱鐵礦(FeCO3)：
FeC2O4·2H2O→FeO+CO+CO2+2H2O
同時，三水碳酸鎂只能部分脫水，極易水解為堿式碳酸鎂(4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O)，無法得到菱鎂礦(MgCO3)，其過程為
5[MgCO3·3H2O]→4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O+CO2+10H2O
但在本發(fā)明采用的高溫高壓條件下，菱鐵礦(FeCO3)的熱穩(wěn)定性被極大地提高，高壓的還原氛圍對Fe2+起到保護(hù)作用，這使得二水草酸亞鐵熱分解變?yōu)?/p>
FeC2O4·2H2O→FeCO3+CO+2H2O
從而成功地獲得菱鐵礦(FeCO3)。
同理，在高溫高壓的條件下，通過抑制三水碳酸鎂的化學(xué)水解反應(yīng)，使其完全脫水，可以成功地獲得菱鎂礦(MgCO3)，其化學(xué)反應(yīng)為
在高溫高壓條件下，由二水草酸亞鐵分解得到的菱鐵礦(FeCO3)和由三水碳酸鎂分解得到的菱鎂礦(MgCO3)會發(fā)生固相反應(yīng)形成菱鎂鐵礦Mg1-xFexCO3的固溶體，反應(yīng)如下
(1-x)MgCO3+xFeCO3→Mg1-xFexCO3
本發(fā)明利用高溫高壓固相反應(yīng)合成菱鎂鐵礦的方法，獲得的菱鎂鐵礦具有純度高、結(jié)晶度好、化學(xué)穩(wěn)定性好等特點，本發(fā)明的制備方法具有操作過程簡單、反應(yīng)時間短等優(yōu)勢。
相比現(xiàn)有技術(shù)的水熱法，最大的特點在于極大地縮短了反應(yīng)時間，由幾十個小時縮短到一個小時以內(nèi)，同時具有組裝結(jié)構(gòu)簡單，合成的菱鎂鐵礦結(jié)晶程度好等優(yōu)點，這為菱鎂鐵礦的研究提供重要保障。解決了現(xiàn)有技術(shù)采用水熱法制備菱鎂鐵礦，存在的反應(yīng)時間長，反應(yīng)復(fù)雜、制備的菱鎂鐵礦結(jié)晶程度差等問題。
具體實施方式：
一種在高溫高壓下制備菱鎂鐵礦的方法，它包括：
步驟1、使用分析純的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂作為起始原料；
步驟2、按照化學(xué)計量摩爾比將原料稱量，放在研缽里，加入酒精和丙酮為2：1的混合液，然后研磨直至液體全部揮發(fā)；
步驟3、使用壓片機(jī)將研磨后的原料混合物壓成圓柱體，使用銀箔將其包裹做成樣品；
步驟4、將氯化鈉研磨成200目以上的粉末，置于烘箱中以150℃溫度下烘干2小時；
步驟5、用烘干后的氯化鈉粉末制備內(nèi)含步驟2所述的原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體樣品；
步驟6、將樣品組裝在高壓合成組裝塊中并放置在六面頂大壓機(jī)進(jìn)行高溫高壓反應(yīng)；
步驟7、將反應(yīng)后的樣品取出，清除樣品表面銀箔，即得到純的菱鎂鐵礦。
步驟5所述的用烘干后的氯化鈉粉末制備內(nèi)含用銀箔包裹的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂的原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體樣品的制備方法為：將氯化鈉粉末在粉末壓片機(jī)中壓成氯化鈉圓柱體，然后將用銀箔包裹的原料混合物圓柱體放在氯化鈉圓柱體上表面的中間位置，再往用銀箔包裹的原料混合物圓柱體上加蓋氯化鈉粉末，然后在粉末壓片機(jī)中1MPa條件下壓實，得到內(nèi)含用銀箔包裹的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂的原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體樣品。
步驟6所述的將步驟5的樣品組裝在高壓合成組裝塊中的方法包括：
步驟6.1、選取一塊葉臘石塊，在葉臘石塊中心打一個圓形通孔；
步驟6.2、在圓形通孔內(nèi)套一個圓形的石墨加熱爐；
步驟6.3、在石墨加熱爐中間放置用銀箔包裹的樣品；
步驟6.4、將圓形石墨加熱爐上下兩端用葉臘石堵頭密封。
所述的高壓合成組裝塊內(nèi)設(shè)置有熱電偶。
步驟6所述高溫高壓反應(yīng)的溫度為700℃-800℃，壓力為1-3GPa，反應(yīng)時間為2個小時。。
步驟7所述純的菱鎂鐵礦是單一物相，無雜質(zhì)相。
步驟7所述純的菱鎂鐵礦為三方結(jié)構(gòu)，空間群為R-3c(no.167)，晶格參數(shù)
實施例1
以分析純的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂作為起始原料，按照化學(xué)計量摩爾比將原料稱量，放在研缽里，加入酒精和丙酮為2：1的混合液，然后研磨直至液體全部揮發(fā)。使用粉末壓片機(jī)將研磨后的原料混合物(約0.30g)末壓成圓柱體(Φ6mm×5mm)，使用銀箔(0.025mm)將其包裹做成樣品；以NaCl為傳壓介質(zhì)，使用粉末壓片機(jī)，將樣品壓入NaCl鹽柱(Φ10mm×12mm)中，完成高壓組裝塊。高壓組裝塊組裝方式：
①32×32mm的葉臘石塊中心打直徑為14mm的圓形通孔；
②葉臘石塊的圓形通孔里面套一個外徑為14mm，內(nèi)徑為10mm的石墨加熱爐；
③石墨加熱爐中間放內(nèi)含原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體，上下為用直徑為10mm的葉臘石堵頭進(jìn)行封堵。
至此，高壓組裝塊完成，其中高壓組裝塊涉及到的尺寸可根據(jù)用銀箔包裹的原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體樣品的尺寸來具體確定；該組裝塊中，葉臘石和氯化鈉作傳壓介質(zhì)，石墨爐作加熱爐，熱電偶作控溫裝置。本發(fā)明高壓組裝塊的優(yōu)點是：①使用熱電偶控溫，加熱系統(tǒng)通過熱電偶反饋的溫度調(diào)節(jié)加熱功率，從而改變溫度，該方法可以實現(xiàn)對溫度的即時監(jiān)控，適用于對溫度測量精度要求高的實驗；②葉臘石作為一級傳壓介質(zhì)，具有很好的傳壓性、機(jī)械加工性、耐熱保溫性和絕緣性，氯化鈉是一種低剪切材料，作為二級傳壓介質(zhì)，使腔體中的壓力比較均勻，且其密封性好；③石墨爐作為加熱爐，溫度均勻性高。
將組裝塊放入六面頂大壓機(jī)中進(jìn)行高溫高壓反應(yīng)，設(shè)定壓力為1GPa，設(shè)定溫度為700℃，反應(yīng)時間為2h。高溫高壓反應(yīng)完成后，將得到的樣品取出，清除樣品表面銀箔，即可得到純的菱鎂鐵礦樣品，其固溶度取決于初始化學(xué)計量摩爾配比。根據(jù)XRD結(jié)果表征，通過本發(fā)明制備方法制備出的菱鎂鐵礦是單一物相，無雜質(zhì)相。
實施例2
以分析純的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂作為起始原料，按照化學(xué)計量摩爾比將原料稱量，放在研缽里，加入酒精和丙酮為2：1的混合液，然后研磨直至液體全部揮發(fā)。使用粉末壓片機(jī)將研磨后的原料混合物(約0.30g)末壓成圓柱體(Φ6mm×5mm)，使用銀箔(0.025mm)將其包裹做成樣品；以NaCl為傳壓介質(zhì)，使用粉末壓片機(jī)，將樣品壓入NaCl鹽柱(Φ10mm×12mm)中，完成高壓組裝塊。高壓組裝塊組裝方式：
①32×32mm的葉臘石塊中心打直徑為14mm的圓形通孔；
②葉臘石塊的圓形通孔里面套一個外徑為14mm，內(nèi)徑為10mm的石墨加熱爐；
③石墨加熱爐中間放內(nèi)含原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體，上下為用直徑為10mm的葉臘石堵頭進(jìn)行封堵。
至此，高壓組裝塊完成，其中高壓組裝塊涉及到的尺寸可根據(jù)用銀箔包裹的原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體樣品的尺寸來具體確定；該組裝塊中，葉臘石和氯化鈉作傳壓介質(zhì)，石墨爐作加熱爐，熱電偶作控溫裝置。本發(fā)明高壓組裝塊的優(yōu)點是：①使用熱電偶控溫，加熱系統(tǒng)通過熱電偶反饋的溫度調(diào)節(jié)加熱功率，從而改變溫度，該方法可以實現(xiàn)對溫度的即時監(jiān)控，適用于對溫度測量精度要求高的實驗；②葉臘石作為一級傳壓介質(zhì)，具有很好的傳壓性、機(jī)械加工性、耐熱保溫性和絕緣性，氯化鈉是一種低剪切材料，作為二級傳壓介質(zhì)，使腔體中的壓力比較均勻，且其密封性好；③石墨爐作為加熱爐，溫度均勻性高。
將組裝塊放入六面頂大壓機(jī)中進(jìn)行高溫高壓反應(yīng)，設(shè)定壓力為2GPa，設(shè)定溫度為800℃，反應(yīng)時間為2h。高溫高壓反應(yīng)完成后，將得到的樣品取出，清除樣品表面銀箔，即可得到純的菱鎂鐵礦樣品，其固溶度取決于初始化學(xué)計量摩爾配比。根據(jù)XRD結(jié)果表征，通過本發(fā)明制備方法制備出的菱鎂鐵礦是單一物相，無雜質(zhì)相。
實施例3
以分析純的二水草酸亞鐵和三水碳酸鎂作為起始原料，按照化學(xué)計量摩爾比將原料稱量，放在研缽里，加入酒精和丙酮為2：1的混合液，然后研磨直至液體全部揮發(fā)。使用粉末壓片機(jī)將研磨后的原料混合物(約0.30g)末壓成圓柱體(Φ6mm×5mm)，使用銀箔(0.025mm)將其包裹做成樣品；以NaCl為傳壓介質(zhì)，使用粉末壓片機(jī)，將樣品壓入NaCl鹽柱(Φ10mm×12mm)中，完成高壓組裝塊。高壓組裝塊組裝方式：
①32×32mm的葉臘石塊中心打直徑為14mm的圓形通孔；
②葉臘石塊的圓形通孔里面套一個外徑為14mm，內(nèi)徑為10mm的石墨加熱爐；
③石墨加熱爐中間放內(nèi)含原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體，上下為用直徑為10mm的葉臘石堵頭進(jìn)行封堵。
至此，高壓組裝塊完成，其中高壓組裝塊涉及到的尺寸可根據(jù)用銀箔包裹的原料混合物圓柱體的氯化鈉圓柱體樣品的尺寸來具體確定；該組裝塊中，葉臘石和氯化鈉作傳壓介質(zhì)，石墨爐作加熱爐，熱電偶作控溫裝置。本發(fā)明高壓組裝塊的優(yōu)點是：①使用熱電偶控溫，加熱系統(tǒng)通過熱電偶反饋的溫度調(diào)節(jié)加熱功率，從而改變溫度，該方法可以實現(xiàn)對溫度的即時監(jiān)控，適用于對溫度測量精度要求高的實驗；②葉臘石作為一級傳壓介質(zhì)，具有很好的傳壓性、機(jī)械加工性、耐熱保溫性和絕緣性，氯化鈉是一種低剪切材料，作為二級傳壓介質(zhì)，使腔體中的壓力比較均勻，且其密封性好；③石墨爐作為加熱爐，溫度均勻性高。
將組裝塊放入六面頂大壓機(jī)中進(jìn)行高溫高壓反應(yīng)，設(shè)定壓力為3GPa，設(shè)定溫度為800℃，反應(yīng)時間為2h。高溫高壓反應(yīng)完成后，將得到的樣品取出，清除樣品表面銀箔，即可得到純的菱鎂鐵礦樣品，其固溶度取決于初始化學(xué)計量摩爾配比。根據(jù)XRD結(jié)果表征，通過本發(fā)明制備方法制備出的菱鎂鐵礦是單一物相，無雜質(zhì)相。