一种高温高压下合成氟碳镥矿单晶的方法

本发明涉及稀土矿，特别是涉及一种高温高压下合成氟碳镥矿单晶的方法。

背景技术：

1、稀土元素作为现代工业的“维生素”，是当今社会重要的战略资源，广泛应用于现代工业，在新材料、新能源、信息技术等新兴产业具有不可替代的重大用途。目前，自然界已经发现的稀土矿物有250种以上，其中稀土金属元素含量较高的矿物有60多种，最主要的稀土矿物有独居石、氟碳铈矿、氟菱钙铈矿、磷钇矿、硅铍钇矿、褐钇铌矿等20余种。

2、稀土的工业矿物主要是氟碳酸稀土的氟碳铈矿和磷酸稀土的独居石和磷钇矿。稀土氟碳酸盐矿物是一类非常重要的稀土矿物，在许多大型稀土矿床中，稀土氟碳酸盐矿物都是主要的矿石矿物。在稀土氟碳酸盐矿物中，氟碳铈矿是分布最广的稀土矿物之一，是提取稀土元素的主要矿物。

3、目前，对于常见的轻稀土氟碳铈矿，如氟碳铈矿(铈)、氟碳铈矿(镧)、氟碳铈矿(镨)、氟碳铈矿(钕)等，人们已对它们的化学合成、晶体结构、热力学性质以及溶解度等进行了较为详细的研究工作。然而，目前对于大多数重稀土氟碳铈矿(如氟碳铈矿(钬)、氟碳铈矿(铒)、氟碳铈矿(镥)、氟碳铈矿(镱)、氟碳铈矿(钇)、氟碳铈矿(镥)等)的晶体结构和热力学性质并没有得到很好的研究，这大大阻碍了人们对自然界中稀土元素的富集、迁移和成矿，以及轻、重稀土分异机制的认识。

4、镥元素：原子序数71，相对原子质量174.96，光泽介于银和铁之间，是稀土元素中最硬和最致密的金属，熔点1663℃，密度9.84g/cm3，在空气中比较稳定，可以作为石油化工的催化剂、磁泡贮存器的原料、特殊合金的原料等。

5、镥是所有稀土中最重和最大的分子，同时也是最坚硬和最耐腐蚀的分子。镥可以用于制造某些特殊合金，如镥铝合金可用于中子活化分析。镥也可以用于石油裂化、烷基化、氢化和聚合反应的催化剂。此外，在一些激光晶体如钇铝石榴石中掺杂镥，可以改善它的激光性能和光学均匀性。除此之外，镥还能用于荧光粉：钽酸镥是目前已知最为致密的白色材料，是x射线荧光粉的理想材料。177lu是一种人工合成的放射性核素，可以用于肿瘤的放射性治疗。

6、像其他稀土金属一样，镥被认为是低程度的毒性，但它的化合物应小心处理，例如氟镥吸入是很危险的，以及化合物易刺激皮肤。硝酸镥也是危险的，因为它可能会发生爆炸和燃烧。氧化物镥粉末是有毒物质，如果经吸入或食入会很危险。

7、前人对氟碳铈矿(镥)的形成机制研究较少，至今并无人工氟碳铈矿(镥)单晶的生长及其晶体结构数据的报道。因此，探索人工合成高纯度氟碳铈矿(镥)单晶的方法是进一步深入研究氟碳铈矿(镥)的晶体结构特征及形成机制的重要前提和基础。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种高温高压下合成氟碳镥矿单晶的方法，以解决目前重稀土氟碳铈矿单晶生长困难的技术难题，同时，该方法具有操作简单、条件易控制等特点。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、本发明提供一种合成氟碳镥矿单晶的方法，包括以下步骤：

4、将lucl3·6h2o、naf和na2co3以化学反应摩尔剂量比混合，在压力条件下，将得到的混合物在第一温度、第二温度和第三温度下分别保温60min，之后在第四温度下保温50-80h，得到所述氟碳镥矿单晶；

5、所述第一温度为200-300℃，所述第二温度为400-450℃，所述第三温度为600-650℃；所述第四温度为800-950℃。

6、进一步地，所述压力条件的压力值为1.6-2.0gpa。

7、进一步地，常压下，以0.2gpa/15min的升压速率将压力升至预设压力值。

8、进一步地，所述lucl3·6h2o、naf和na2co3的纯度等级为分析纯及以上。

9、进一步地，所述lucl3·6h2o、naf和na2co3的纯度均>99.99％。

10、进一步地，控制升温速率为10℃/min，使温度从第一温度依次升温至第二温度、第三温度、第四温度。

11、进一步地，所述混合物的保温过程在大腔体压机中进行。

12、进一步地，混合物置于高温高压合成组装块中；所述高温高压合成组装块包括作为传压介质的叶蜡石、作为加热炉的石墨管以及控温用热电偶。

13、进一步地，所述热电偶为s型热电偶。

14、本发明结合稀土矿物学、晶体化学、稀土元素地球化学、结晶学与矿物学、晶体光学、光性矿物学、晶体材料学等相关学科背景，即在地球内部氧化还原条件下缓慢形成氟碳铈矿(镥)的原理，在高温高压条件下模拟氟碳铈矿(镥)单晶的形成过程，本发明涉及的主要化学反应方程式为：

15、lucl3·6h2o+naf+na2co3→lu(co3)f+3nacl+6h2o

16、本发明在高温高压条件下，所选的初始原料固体的氯化镥(iii)六水合物[分子式：lucl3·6h2o]提供了合成氟碳铈矿(镥)单晶必不可少的镥元素。初始原料固体的氟化钠[分子式：naf]提供了合成氟碳铈矿(镥)单晶必不可少的氟元素。初始原料固体的无水碳酸钠[分子式：na2co3]提供了合成氟碳铈矿(镥)单晶必不可少的碳酸根。

17、采用本发明的温度和压力条件及相应的阶梯式升温方式，可以促进lucl3·6h2o脱水和na2co3分解，不仅可以在样品腔体内形成流体环境，而且可以促进反应进行，进而促进单晶样品的生长。

18、本发明公开了以下技术效果：

19、相比天然的氟碳铈矿(镥)，因其含有其他杂质，现有报道检测出天然的氟碳铈矿(镥)纯净度很难达到70％。本发明生长氟碳铈矿(镥)单晶的过程得到的氟碳铈矿(镥)单晶为纯净物，化学稳定性好，解决了目前氟碳铈矿(镥)单晶生长困难的技术难题。另外，本发明的方法具有操作过程简单、条件容易控制等优势。

技术特征：

1.一种合成氟碳镥矿单晶的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的合成氟碳镥矿单晶的方法，其特征在于，所述压力条件的压力值为1.6-2.0gpa。

3.根据权利要求1所述的合成氟碳镥矿单晶的方法，其特征在于，常压下，以0.2gpa/15min的升压速率将压力升至预设压力值。

4.根据权利要求1所述的合成氟碳镥矿单晶的方法，其特征在于，所述lucl3·6h2o、naf和na2co3的纯度均>99.99％。

5.根据权利要求1所述的合成氟碳镥矿单晶的方法，其特征在于，控制升温速率为10℃/min，使温度从第一温度依次升温至第二温度、第三温度、第四温度。

6.根据权利要求1所述的合成氟碳镥矿单晶的方法，其特征在于，所述混合物的保温过程在大腔体压机中进行。

7.根据权利要求6所述的合成氟碳镥矿单晶的方法，其特征在于，混合物置于高温高压合成组装块中；所述高温高压合成组装块包括作为传压介质的叶蜡石、作为加热炉的石墨管以及控温用热电偶。

8.根据权利要求7所述的合成氟碳镥矿单晶的方法，其特征在于，所述热电偶为s型热电偶。

技术总结
本发明公开了一种高温高压下合成氟碳镥矿单晶的方法，涉及稀土矿技术领域。本发明以LuCl<subgt;3</subgt;·6H<subgt;2</subgt;O、NaF和Na<subgt;2</subgt;CO<subgt;3</subgt;为原料，在预定压力下进行阶段式升温反应，得到的氟碳镥矿单晶为纯净物，化学稳定性好，解决了目前氟碳镥矿单晶生长困难的技术难题。另外，本发明的方法具有操作过程简单、条件容易控制等优势。

技术研发人员：范大伟,周文戈,许金贵
受保护的技术使用者：中国科学院地球化学研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13