丁元?jiǎng)?，蔡偉豪，褚晨嘯，白占旗，張金柯，繆光武，張建君，張 波

（1.浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023；2.浙江工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，浙江 杭州310032；3.浙江工業(yè)大學(xué)教科學(xué)院，浙江 杭州 310032）

高純六氟乙烷的制備及應(yīng)用研究進(jìn)展

丁元?jiǎng)?，蔡偉豪2，褚晨嘯3，白占旗1，張金柯1，繆光武1，張建君1，張 波2

（1.浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023；2.浙江工業(yè)大學(xué)化工學(xué)院，浙江 杭州310032；3.浙江工業(yè)大學(xué)教科學(xué)院，浙江 杭州 310032）

高純度的六氟乙烷主要用于蝕刻氣體、器件清洗劑、制冷劑等行業(yè)。本文介紹了六氟乙烷的性質(zhì)、制備以及高純度六氟乙烷的純化方法，并提出純度對應(yīng)用前景的重要性。

六氟乙烷；性質(zhì)；電子氣體；高純；應(yīng)用

含氟電子氣體在全球電子氣體市場上占據(jù)百分之三十的比例，可以用作蝕刻氣體，清洗劑以及制冷劑等領(lǐng)域。相比于其他含氟電子氣體，六氟乙烷具有無毒性及高穩(wěn)定性的優(yōu)勢。另外，六氟乙烷作為蝕刻氣體的精準(zhǔn)性高，蝕刻率高；作為清洗劑的利用率高，排放率低，也使其具有了更大的應(yīng)用前景。

1 六氟乙烷的性質(zhì)

六氟乙烷全稱 1，1，1，2，2，2-六氟乙烷，也稱全氟乙烷或R116，分子式為C2F6，相對分子質(zhì)量為138.0，英文名稱 Hexafluoroethane，CAS編號(hào)為76-16-4。

六氟乙烷常溫下為無色、無氣味、非可燃的無毒氣體，微溶于水，可溶于苯、四氯化碳、乙醇，不溶于甘油、酚。主要物理性質(zhì)見表1。

六氟乙烷可引起快速窒息，吸入后會(huì)引起頭暈、惡心，若遇到很高的溫度，容器內(nèi)壓力會(huì)增大，有炸裂的危險(xiǎn)，一旦與可燃?xì)怏w接觸會(huì)燃燒后產(chǎn)生劇毒氣體氟化氫。六氟乙烷毒性用老鼠做實(shí)驗(yàn)，老鼠吸入 80%（20%為 O2）×4 h，近似致死濃度，由此可視為無毒氣體。六氟乙烷對水體與大氣可以造成污染，對臭氧層有極強(qiáng)破壞力。

表1 六氟乙烷物理性質(zhì)[1]

2 六氟乙烷的制備

常規(guī)六氟乙烷的制備方法：

（1）以乙烷或乙烯為起始原料的電解氟化法；

（2）四氟乙烯的熱分解法；

（3）以金屬氟化物氟化 C2H6，C2H4或 C2H2的方法；

（4）在催化劑作用下，使用HF氟化二氯四氟乙烷或者一氯五氟乙烷；

（5）用F2直接氟化法可以制備六氟乙烷[5]。

六氟乙烷通過以活性炭和F2為原料制備，在裝有活性炭的反應(yīng)爐中通入F2，控制溫度和通入F2速率。 產(chǎn)物可得 CF4、C2F6、C3F8的粗產(chǎn)品，然后把粗產(chǎn)品混合物進(jìn)行精餾，獲得C2F6，再用分子篩進(jìn)行吸附脫水，可獲得純度大于99.7%的C2F6。

明文勇[17]提出一種六氟乙烷制備方法，先在光化塔用五氟乙烷副產(chǎn)物與Cl2反應(yīng)獲得一氯五氟乙烷，然后在反應(yīng)器內(nèi)通HF，在催化劑作用下獲得六氟乙烷。

3 高純六氟乙烷純化方法

六氟乙烷在生產(chǎn)過程中會(huì)出現(xiàn)一些副產(chǎn)物，如三氟一氯甲烷，二氟二氯甲烷和三氯一氟甲烷等氟氯烴，大部分可通過吸附精餾除去，但是有一些雜質(zhì)性質(zhì)穩(wěn)定或能與六氟乙烷形成共沸物，導(dǎo)致吸附精餾無法除去。

袁勝芳[3]公開了一種在進(jìn)入吸附塔與精餾塔之前，先過一個(gè)水洗塔和堿洗塔，在經(jīng)過一個(gè)裝金屬催化劑的反應(yīng)器，金屬催化劑主體為金屬氧化物，負(fù)載在活性炭或分子篩或氧化鋁上。反應(yīng)器的溫度控制在300℃~800℃，流速15~30 kg/h，此方法可將六氟乙烷中的氟氯烴除到1 ppm以下，使六氟乙烷的純度達(dá)到5mol/L，而且操作簡單，催化劑壽命長，節(jié)約成本。

Miller ralph newton[4]提出了一種通過共沸蒸餾的方式形成一種HCl-六氟乙烷的共沸物，從塔頂把共沸物分離出來，從而去除六氟乙烷中的雜質(zhì)。之后再把HCl-六氟乙烷的結(jié)構(gòu)通過相分離來破壞從而獲得純的六氟乙烷，其純度可達(dá)到6 mol/L，而未反應(yīng)的HCl和HF，以及雜質(zhì)與他們形成的共沸物從塔底去除。此方法獲得的六氟乙烷純度高，可以解決一些無法通過吸附精餾除去的穩(wěn)定性強(qiáng)的共沸物。但是操作難度較高，而且HCl對設(shè)備有一點(diǎn)腐蝕性，帶入新的金屬離子。

大野博基[5]提出兩種純化六氟乙烷的制備方法，第一種，把HF氣體通入六氟乙烷和一氯三氟甲烷的混合氣體中，通過催化劑的作用在200℃~450℃下進(jìn)行氟化反應(yīng)，得到的產(chǎn)物（六氟乙烷和四氟甲烷）進(jìn)行精餾可得到純的六氟乙烷。催化劑為以Co2O3為主要成分的承載型催化劑。第二種，把氫氣通入五氯乙烷中，通過氫化催化劑的作用在150℃~400℃下進(jìn)行氫化反應(yīng)，獲得純度達(dá)到5.7mol/L以上的六氟乙烷，該方法獲得的六氟乙烷純度相對較高，但是涉及到HF氣體，帶有一點(diǎn)的危險(xiǎn)性。

金向華[6]設(shè)計(jì)了一種輔助循環(huán)裝置來提純六氟乙烷，循環(huán)裝置包含純化系統(tǒng)，冷卻器，精餾塔，汽化室和緩沖機(jī)構(gòu)。粗產(chǎn)品六氟乙烷通過純化系統(tǒng)的吸附，再過冷卻器后到精餾塔，最后經(jīng)過汽化室，檢測產(chǎn)品的純度，如果未達(dá)標(biāo)可以通過緩沖機(jī)構(gòu)回到純化系統(tǒng)或冷卻器重新過一遍，以此循環(huán)往復(fù)直到達(dá)到所需的純度。純化系統(tǒng)包含兩個(gè)吸附筒，內(nèi)部可以裝4A，5A或者13X吸附劑。此裝置可以節(jié)約成本，耗能低，符合可持續(xù)發(fā)展的理念。

陳剛[7]制備了一種新型雜質(zhì)分解劑，這種分解劑的制備：用5~10倍 （和樹脂的重量比）5%~20%濃度的氫氧化鈉浸泡氨基酸螯合樹脂2~10 h，調(diào)pH至7，再加入10%~40%（相對于樹脂）重量5%~20%濃度的FeCl3溶液，再加入0.5%~2%（相對于樹脂）重量的1-丁基-3甲基咪唑氫氧化物，再加入0.5%~2%（相對于樹脂）重量的四甲基胍三氟甲烷磺酸鹽，在加入10~20%的雙氧水，混合后再在40℃~80℃下攪拌10~20 h，反應(yīng)完成后，過濾得到分解劑。讓六氟乙烷粗產(chǎn)品通過裝有新型雜質(zhì)分解劑的反應(yīng)器時(shí)，需控制溫度260℃~360℃，流速3~10 BV/h，壓力 0.5~2.5 MPa。此種新型雜質(zhì)分解劑的發(fā)明適應(yīng)了對含氟電子氣體純度要求越來越高的市場需求。

陳剛[8]還提出了一種高效吸附劑的制備方法，此吸附劑通過把粉煤灰、氯化鐵、1-乙基醚-3-甲基咪唑雙亞銨鹽、去離子水按一定比例混合在80℃~100℃下攪拌30~80 h，再加入不同比例的牛脂基雙羥乙基、氯化膽堿、尿素在50℃~80℃下攪拌10~30 h，反應(yīng)結(jié)束后離心、烘干等工序獲得高效吸附劑。把含氟電子氣體的粗產(chǎn)品經(jīng)過幾個(gè)裝有高效吸附劑，并且串聯(lián)起來的吸附塔，在-100℃~-20℃，0.3~3MPa，流速 3~10 BV/h下，通過吸附后再經(jīng)過脫雜質(zhì)精制技術(shù)，得到高純的含氟電子氣體。

張金柯[9]也設(shè)計(jì)出了一種吸附劑來提高六氟乙烷的純度，此吸附劑通過離子交換法改性A型分子篩、X型分子篩、Y型分子篩，金屬離子包含Cs2+，Ag+，Cu2+，Ga2+，K+，Co2+等，也可以是兩種以上金屬離子的組合，通過此吸附劑吸附后可以把六氟乙烷的純度提純到5mol/L以上。

顏希文[10]提出一種純化方法，利用在-75℃~-35℃，0.1~1 MPa下進(jìn)行精餾，然后在-100℃~-70℃下進(jìn)行低溫吸附，再在0.5~1.5 MPa下進(jìn)行加壓吸附。以此方法獲得的六氟乙烷純度可以達(dá)到5.5mol/L，能把CO2，H2O吸附到1 ppm以下，解決了一些工藝對二氧化碳和水吸附深度不夠的情況，另外解決了無水HCl帶來的安全隱患，5.5 mol/L以上純度的六氟乙烷滿足市場流通的電子氣體純度的要求。

4 六氟乙烷的應(yīng)用

在制冷劑行業(yè)，臭氧層的破壞導(dǎo)致全球變暖從而帶來了海平面上升，紫外輻射加強(qiáng)等問題，各國不得不重視這一嚴(yán)重的環(huán)境問題。而氟氯烴對臭氧層的極大破壞是根本原因，各國開始實(shí)行節(jié)能減排措施來減緩臭氧層的破壞，同時(shí)積極研究和開發(fā)各種環(huán)保的新型產(chǎn)品。在開發(fā)出綠色環(huán)保產(chǎn)品之前需要替代品，能盡量減少對臭氧層破壞，六氟乙烷ODP（臭氧層破壞潛能值）為0，對臭氧層的破壞性遠(yuǎn)小于其它氟氯烴。在半導(dǎo)體行業(yè)，六氟乙烷作為蝕刻劑以其無毒性和高穩(wěn)定性優(yōu)于其他電子氣體，作為器件清洗劑，又具有排放性低、利用率高等特點(diǎn)。另外，六氟乙烷還被用于化學(xué)工業(yè)、電力工業(yè)、醫(yī)療事業(yè)以及光纖生產(chǎn)等領(lǐng)域。

4.1 六氟乙烷應(yīng)用于制冷劑

制冷劑經(jīng)歷了三代，第一代以NH3和CO2為主，成本過高；第二代為含氯的制冷劑，對臭氧層破壞過大；第三代為含氟的碳化合物，雖然造成了全球溫室效應(yīng)，但是在研究出新的第四代之前需要有替代品進(jìn)行過渡，而六氟乙烷以其穩(wěn)定性強(qiáng)、無毒性、不可燃等優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于超低溫冷凍系統(tǒng)。目前，最主要的用法是R116與R23相配組成共沸混合制冷劑R508。另外，按照不同組分可以將其分為 R508A和R508B，R508A含 61%R116和 39%R23，R508B 含 54%R116和 46%R23。R508B廣泛用于各種超低溫冷凍設(shè)備上[1]。

R-508B作為廣泛使用的超低溫制冷劑，以其良好的綜合性能成為CFC-13、R-503和HFC-23的替代品，主要應(yīng)用于冷凍干燥機(jī)、超低溫冰箱、生化試驗(yàn)箱等超低溫設(shè)備中。R508B制冷劑制冷時(shí)的溫度可降至-80℃或者更低，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可以長期成為R-13，R-503和R-23的替代品。

由于R508B與R503、R13物化性質(zhì)、循環(huán)性能不相同，對于初裝時(shí)以R503和R13為制冷劑的設(shè)備需要再添加制冷劑，只能添加R503和R13。但是R508B制冷劑是新裝超低溫制冷設(shè)備上替代氟利昂R-503和R13的普遍選擇。

R508B對于其組分六氟乙烷的要求不高，只需99.5%以上純度即可，制備的成本低，有利于R508的推廣。而第二代含氯制冷劑已經(jīng)逐漸淘汰，R508的市場需求會(huì)增加，從而帶動(dòng)對原料六氟乙烷的需求也會(huì)不斷增大。六氟乙烷雖然ODP為0，但是GWP值略高，所以仍然需要開發(fā)新的替代品。

4.2 六氟乙烷用作清洗劑和蝕刻劑

在集成電路、液晶顯示、半導(dǎo)體行業(yè)等領(lǐng)域，電子氣體都占有很重要的地位，隨著電子行業(yè)的更新?lián)Q代，對于電子氣體的純度要求也慢慢變高，而在電子氣體中，含氟電子氣體占了百分之三十的市場份額，可見含氟電子氣體在電子行業(yè)的發(fā)展還是必不可少的，一般在電子行業(yè)中，含氟電子氣體主要用作清洗劑和蝕刻劑。

半導(dǎo)體制造中有顆粒、有機(jī)物、金屬和氧化物，顆粒和金屬污染物對于晶體與器件的性能和工作有嚴(yán)重的影響，長期不處理，甚至?xí)?dǎo)致線路短路，燒壞設(shè)備。對這些污染物對應(yīng)的清洗方法主要有濕法化學(xué)清洗和干法清洗，而干法清洗相對于濕法清洗，具有操作簡單，清洗效率高，清洗后表面無劃痕且干凈。雖然目前濕法清洗仍然占主要比例，但是隨著電子行業(yè)的發(fā)展，儀器設(shè)備的更加精密，為了儀器設(shè)備的維護(hù)，干法清洗將慢慢取代濕法清洗[11]。

含氟電子氣體在干法清洗中尤為突出，由于其較低的沸點(diǎn)，在常溫下以氣體形式存在，適用于干法清洗，目前的含氟氣體清洗劑有四氟甲烷、六氟乙烷、八氟丙烷、六氟化硫、三氟化氮、碳酰氟、氟氣等，在市場上流通的主要是以六氟乙烷和四氟甲烷為主的含氟清洗氣體[12]。相比于四氟甲烷，六氟乙烷利用率高，排放率低，也使其具有了更大的應(yīng)用前景。

蝕刻工藝是選擇性的在硅表面復(fù)制需要的圖形，去除一些不需要的材料。隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，蝕刻器件尺寸越來越小，干法蝕刻成為了亞微米級(jí)以下尺寸的蝕刻器件的主要方法，濕法蝕刻的優(yōu)點(diǎn)是操作更加簡單，節(jié)約成本，但是它是各向同性，并且會(huì)出現(xiàn)鉆蝕現(xiàn)象，一旦蝕刻器件過小無法使用，而干法蝕刻克服了這些缺點(diǎn)，具備各向異性，適合刻蝕一些復(fù)雜的陡直圖形，另外1 M位以上的集成度的蝕刻器具必須用干法蝕刻[13]。

含氟電子氣體主要用于干法蝕刻，含氟電子氣體蝕刻劑主要有四氟甲烷、三氟甲烷、二氟甲烷、一氟甲烷、六氟乙烷、八氟丁烷等，四氟甲烷蝕刻速率快，對多晶硅選擇比低，由于蝕刻時(shí)以氟原子活性基為主，因此要降低氟原子的濃度來提高對精硅的選擇比。

六氟乙烷作為干法蝕刻的含氟電子氣體，六氟乙烷具有無毒性及高穩(wěn)定性的優(yōu)勢且具備精準(zhǔn)性高，蝕刻率高等優(yōu)點(diǎn)。主要用于反應(yīng)設(shè)備內(nèi)部硅表面的蝕刻。六氟乙烷邊緣側(cè)向侵蝕現(xiàn)象極微的特點(diǎn)使其可以廣泛地應(yīng)用于亞微米級(jí)設(shè)備器件的蝕刻[12]。

和制冷劑相同，蝕刻與清洗用到六氟乙烷同樣會(huì)造成溫室效應(yīng)，所以還需要找到新的蝕刻劑與清洗劑，而六氟乙烷是很好的中間過渡物。

4.3 六氟乙烷可用做電氣設(shè)備的絕緣氣

氣體作為絕緣介質(zhì)可以重復(fù)循環(huán)使用，而氣體絕緣設(shè)備體積一般較小，維護(hù)簡單，且不易損壞。因此，氣體絕緣設(shè)備已經(jīng)廣泛在市場上流通，如氣體絕緣變壓器、電纜、斷路器等。

氣體絕緣介質(zhì)到現(xiàn)今共經(jīng)歷過三個(gè)階段：第一階段發(fā)現(xiàn)了六氟化硫具有強(qiáng)電負(fù)性，耐電性強(qiáng)，為當(dāng)時(shí)最理想的氣體絕緣介質(zhì)。目前，六氟化硫仍然是電力系統(tǒng)不可或缺的絕緣介質(zhì)。但是，由于其容易液化不適用于寒冷地區(qū)。第二階段是以六氟化硫?yàn)橹鳑_入氮?dú)?、二氧化碳等普通氣體，構(gòu)成混合氣體，解決了低溫易液化的問題，降低了成本，并且性能并未下降多少。第三階段是選擇全氟烴來作為六氟化硫的替代品，從環(huán)保角度考慮，降低環(huán)境的溫室效應(yīng)[14]。

六氟乙烷具有良好的穩(wěn)定性，且不易然易爆，無毒性，對于設(shè)備無腐蝕性，不會(huì)因?yàn)殡娏鲗?dǎo)致分解，可以用來隔絕導(dǎo)電體，作為電氣設(shè)備的氣體絕緣介質(zhì)。

4.4 六氟乙烷用于醫(yī)療事業(yè)

化膿性眼內(nèi)炎是因?yàn)檠蹆?nèi)嚴(yán)重感染導(dǎo)致的，如不及時(shí)治療，將導(dǎo)致眼睛失明，六氟乙烷可以在玻璃體切割手術(shù)后，作為抑菌藥物填充玻璃體[15]。

六氟乙烷性質(zhì)穩(wěn)定，常溫成氣態(tài)，能吸收血液中的氣體膨脹，它的滯留性以及膨脹性為視網(wǎng)膜的復(fù)位提供了充足的時(shí)間，被應(yīng)用于鞏膜扣帶術(shù)[16]。

5 總結(jié)

六氟乙烷具有良好的穩(wěn)定性，無毒性，使其在全氟烴占有優(yōu)勢地位，現(xiàn)在市場流通的全氟烴中有百分之五十是六氟乙烷。六氟乙烷廣泛應(yīng)用于制冷劑、蝕刻劑、清洗劑和醫(yī)療事業(yè)，而各行各業(yè)對六氟乙烷的純度要求也越來越高，當(dāng)純度達(dá)到6mol/L以上時(shí)，六氟乙烷的價(jià)格將成倍的增長。但是隨著各國對溫室效應(yīng)的逐漸重視，六氟乙烷的GWP值為9200，對環(huán)境有很大影響，在未找到新的替代品之前，六氟乙烷仍然有很大的市場及應(yīng)用前景。

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Abstract：Highly pure hexafluoroethane is used for etching gases， cleaning agents and so on.It introduced the properties，preparation and purificationmethods of hexafluoroethane and proposed the importance of purity to application prospect.

Keywords：hexafluoroethane； property； E-gas； purity； application

中科院福建物構(gòu)所提升鋰硫電池循環(huán)穩(wěn)定性

近期，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所結(jié)構(gòu)化學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員王瑞虎課題組和溫州大學(xué)教授楊植合作，實(shí)現(xiàn)了大幅提高鋰硫電池穩(wěn)定性的同時(shí)，增加其大功率放電性能。這項(xiàng)成果有效解決了鋰硫電池商業(yè)化應(yīng)用方面面臨的一些技術(shù)挑戰(zhàn)。如固體硫化物的絕緣性、可溶性長鏈多硫化物的穿梭效應(yīng)以及充放電期間硫的體積巨變，這些問題通常導(dǎo)致硫的利用率低、循環(huán)壽命差，甚至引起一系列安全問題。該項(xiàng)研究將水蒸氣刻蝕的多孔NbS2和高導(dǎo)電碘摻雜石墨烯（IG）復(fù)合到三元混合硫正極系統(tǒng)中，合成了由IG包裹的三明治型正極材料。在這種特殊三明治結(jié)構(gòu)中，層狀NbS2的高極性和強(qiáng)的親和力促進(jìn)多硫化物的物理攔截和化學(xué)吸附，協(xié)同解決了多硫化物溶解和穿梭效應(yīng)的問題。NbS2的高電導(dǎo)率和孔隙率提高了界面電荷轉(zhuǎn)移和離子遷移，從而提高了鋰硫電池氧化還原反應(yīng)。IG包圍的夾層結(jié)構(gòu)不僅可以使硫物質(zhì)和層狀NbS2（或IG）之間發(fā)生緊密接觸，而且在充放電過程中能承受硫正極大的體積波動(dòng)。由新技術(shù)組裝的鋰硫電池，在20~40 C的高倍率下，表現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。該研究成果發(fā)表在ACSNano上，研究工作得到了國家自然科學(xué)基金和中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。

（來源：http://news.sciencenet.cn/htm lnews/2017/9/388530.shtm）

Research Progress in Properties， Purification， Preparation and App lication of Hexafluoroethane

DING Yuan-sheng1，CAIWei-hao2，ZHU Chen-xiao3，BAIZhan-qi1，ZHANG Jin-ke1，MIAOGuang-wu1，ZHANG Jian-jun1，ZHANG Bo2
（1.Zhejiang Chemical Industry Research Institute Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang 310023，China；2.College of Engineering，Zhejiang University of Technology，Hangzhou， Zhejiang 310032，China；3.College of Chemical Engineering，Zhejiang University of Technology， Hangzhou，Zhejiang 310032，China）

1006-4184（2017）9-0001-05

2017-07-05

丁元?jiǎng)?（1977-），男，浙江義烏人，碩士，高級(jí)工程師，主要從事氟化工產(chǎn)品開發(fā)工作。E-mail:dingyuansheng@sinochem.com。