龔斯宇,劉秉國(guó),2,3,劉 鵬,張 婷,宇文超,董希志,董恩華
(1.昆明理工大學(xué) 冶金與能源工程學(xué)院,云南 昆明 650093; 2.非常規(guī)冶金省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650093; 3.復(fù)雜有色金屬清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南 昆明 650093)
釕(Ru)是稀貴金屬中的一種,Ru粉是制備釕靶材、高純釕化合物等材料的關(guān)鍵原材料之一[1],釕靶是計(jì)算機(jī)硬盤記憶材料和超大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路晶圓制造中薄膜材料的關(guān)鍵原料,其質(zhì)量主要受Ru粉的純度和性質(zhì)影響[2-4],行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《制備釕靶用釕粉》規(guī)定硬盤和集成電路行業(yè)用Ru粉純度須滿足大于等于3N5[5-6].隨著電子元器件的發(fā)展,對(duì)金屬靶材的需求量猛增,對(duì)Ru粉的需求量也急劇增大[1],但受原材料限制,國(guó)內(nèi)高端釕系靶材仍嚴(yán)重依賴進(jìn)口,要想保持技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力,就必須通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新改善Ru粉品質(zhì),提升釕系靶材性能[7-8].
目前國(guó)內(nèi)外制備高純Ru粉以化學(xué)法為主,其原理是將含Ru物料中的Ru氧化為具有較高蒸氣壓的RuO4,經(jīng)蒸餾處理將Ru與雜質(zhì)陽(yáng)離子分離,再采用銨鹽沉淀、煅燒和還原處理上一步得到的Ru,分離Ru與雜質(zhì)陰離子,并制得高純Ru粉.值得一提的是,煅燒分解、氫氣還原是制備高純Ru粉不可或缺的重要工序.永井燈文等[9-10]將NP進(jìn)行煅燒、氫還原處理,得到4N級(jí)高純Ru粉,但Ru粉大多呈不規(guī)則形狀.YOON等[11]采用市售普通Ru粉(雜質(zhì)金屬含量較多)為原料制備得到RuOCl3晶體,經(jīng)煅燒、熱還原處理后得到5N級(jí)Ru粉,可用于制備濺射靶材.目前,我國(guó)Ru粉的制備相對(duì)較少,金川公司將制得的RuCl3經(jīng)煅燒、氫還原得到Ru粉,該Ru粉的純度在99.0%~99.95%之間,未達(dá)到高純Ru粉的標(biāo)準(zhǔn)[12].貴研鉑業(yè)將NP進(jìn)行三溫度段煅燒、氫氣還原、球磨,得到高純度(4N)Ru粉[13-14],然而,多溫度段煅燒和球磨工序均會(huì)導(dǎo)致增加生產(chǎn)周期和成本.李紅梅等[15]將NP經(jīng)800 ℃煅燒6 h,得到釕氧化物并在750 ℃通氫還原 30 min,制得純度為99.95%的近球形Ru粉.綜上可知,我國(guó)常規(guī)煅燒制備得到的高純Ru粉在純度上滿足Ru系靶材要求,但因多溫度段煅燒、氫還原和球磨等工序,存在工藝復(fù)雜冗長(zhǎng)等問(wèn)題.針對(duì)上述問(wèn)題,探索一種加熱NP制備Ru粉新工藝迫在眉睫,有學(xué)者提出一種微波一步法制備高純Ru粉的方法[16],該方法是在保護(hù)性環(huán)境中,將NP微波加熱到分解溫度后保溫一段時(shí)間,在該溫度下,NP實(shí)現(xiàn)了熱分解自還原為金屬Ru粉.為了推進(jìn)NP熱分解自還原一步法的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程,深刻揭示NP的受熱分解機(jī)理,并優(yōu)化NP受熱分解制備Ru粉的工藝條件具有重要意義.
TG-MS[17]是一種聯(lián)用分析技術(shù),在同一次測(cè)量中,通過(guò)TG-DTA技術(shù)檢測(cè)樣品的重量變化與熱效應(yīng),同時(shí)利用MS鑒別和定量分析體系受熱逸出的揮發(fā)性氣體組分.有助于更精確地研究反應(yīng)進(jìn)程,推斷反應(yīng)機(jī)理.
本研究采用TG-MS技術(shù)研究NP在保護(hù)氣氛中的熱分解機(jī)理,并利用GSL-1600X型管式爐進(jìn)行煅燒NP試驗(yàn),以NP的分解率為重要指標(biāo),分析煅燒溫度、煅燒時(shí)間和物料量對(duì)分解率的影響,最后在單因素研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行正交優(yōu)化分解工藝條件,以期為NP熱分解一步法制備Ru粉工藝的條件優(yōu)化及后續(xù)研究提供指導(dǎo).
NP購(gòu)買自貴研資源易門有限公司,經(jīng)ICP測(cè)得其Ru≥30.34%,檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1.對(duì)其進(jìn)行SEM和EDS表征,得到NP的低倍SEM和EDS圖譜(見(jiàn)圖1).根據(jù)圖1可知,NP的微觀形貌主要呈現(xiàn)不規(guī)則的片塊狀,粒徑約在0.1~10 μm之間.由EDS圖譜可知,NR主要由Ru、Cl和N三種元素組成,伴隨少量的O元素,這可能是由于NP在空氣中被氧化.
表1 NR化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))
圖1 NP的SEM和EDS圖譜Fig.1 SEM & EDS patterns of NP
1.2.1 試驗(yàn)儀器
TG-MS分析采用日本理學(xué)Thermo plus EV2型熱重-質(zhì)譜聯(lián)用分析儀.樣品質(zhì)量為9.4 mg,溫度范圍為30~500 ℃,升溫速率為10 ℃/min,氣氛(Ar)流速為300 mL/min.
XRD分析采用UltimalV型轉(zhuǎn)靶X射線衍射儀(XRD),輻射源為Cu-Ka 靶(λ=0.154 06 nm),管電壓40 kV,管電流40 mA,掃描速度10(°)/min,掃描區(qū)間10°~90°.
SEM分析采用Phenom-World 型掃描電鏡,加速電壓為15 kV.
1.2.2 試驗(yàn)設(shè)備
加熱試驗(yàn)采用合肥科晶材料技術(shù)有限公司生產(chǎn)的GSL-1600X型管式爐,樣品質(zhì)量范圍為20~50 g,溫度范圍為30~500 ℃,升溫速率為 10 ℃/min,通入Ar,且流速為300 mL/min.
NP的分解率計(jì)算公式如(1):
(1)
式中:γ-物料的分解率,%;M0-物料的初始質(zhì)量,g;M-物料的最終質(zhì)量,g;Wt-物料理論失重率,%.
2.1.1 TG實(shí)驗(yàn)
如圖2所示為保護(hù)氣氛(Ar)中,NP以10 ℃/min的升溫速率升溫至500℃的TG、DTG和DTA曲線.由TG曲線和DTA曲線可知,NP的熱分解分兩步進(jìn)行:第一階段發(fā)生在300~363 ℃之間,對(duì)應(yīng)DTA曲線上的吸熱峰,表明該分解反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng);第二階段發(fā)生在363~420 ℃左右,對(duì)應(yīng)DTA曲線上的吸熱峰也說(shuō)明第二階段分解反應(yīng)是一個(gè)吸熱反應(yīng).根據(jù)DTG曲線可知,第二階段的分解反應(yīng)速率更快,且在372 ℃左右有最大分解速率.根據(jù)TG曲線可知,NP熱分解結(jié)束后物料的剩余質(zhì)量約為33% (理論值為31%),兩者基本吻合.
圖2 NP在10 ℃/min下的熱重曲線Fig.2 TG curves of NP at 10 ℃/min
2.1.2 MS實(shí)驗(yàn)
根據(jù)以上熱重分析可知,NP熱分解過(guò)程可分兩步進(jìn)行.分解反應(yīng)的起始溫度點(diǎn)為300 ℃,溫度分段點(diǎn)為363 ℃,終止溫度點(diǎn)為420 ℃.為確定NP不同階段釋放的氣體種類,開展質(zhì)譜定性分析實(shí)驗(yàn)[17].圖3為NP以10 ℃/min的升溫速率在Ar氣氛中的MS圖譜.由該圖譜可知,NP第一步熱分解主要發(fā)生在300~363 ℃之間,并釋放NH3和HCl氣體;NP第二步熱分解主要在363~420 ℃之間進(jìn)行,該過(guò)程中釋放的氣體主要為N2和HCl氣體.
圖3 NP熱分解質(zhì)譜圖譜 (10℃/min)Fig.3 Mass spectrometry pattern of thermal decomposition of NP at 10℃/min
2.1.3 363℃和 420℃下的產(chǎn)物XRD表征
為了進(jìn)一步確定NR不同熱分解階段的固體產(chǎn)物為何種物質(zhì),本研究用方舟坩堝盛裝50 g NR物料后置于管式爐中,并往管式爐中通入一定流速的Ar氣以排盡空氣,分別在363 ℃和420 ℃下保溫90 min后隨爐冷卻,然后取出冷卻物料進(jìn)行XRD表征分析.其XRD圖譜見(jiàn)圖4.圖4(a)為室溫下NP的XRD圖譜,該XRD圖譜為NP原始XRD圖譜.圖4(b)和圖4(c)是NP在363 ℃和 420 ℃ 下保溫 90 min后所得固體產(chǎn)物的XRD圖譜.
圖4(b)為NP升溫至363 ℃、保溫90 min所得第一段熱分解產(chǎn)物的XRD圖譜,圖4(b)與標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比未確定該物質(zhì).由于NP第一段熱分解釋放出 NH3和HCl氣體,第二段熱分解生成N2和HCl氣體,故推斷第一段分解的產(chǎn)物為一種新的含Ru化合物[18-19],將其化學(xué)簡(jiǎn)式命為(NH3)xRuyClz,通過(guò)分析NP的TG-MS,可知其第一階段質(zhì)量的損失量和釋放氣體的成分,再利用質(zhì)量守恒定律理論計(jì)算,得到第一階段熱分解產(chǎn)物的化學(xué)簡(jiǎn)式為(NH3)4Ru3Cl12.當(dāng)溫度升至 420 ℃時(shí),產(chǎn)物XRD圖譜如圖5(c)所示,此時(shí)Ru的圖譜與Ru的標(biāo)準(zhǔn)XRD圖譜吻合,表明NP在該溫度下已經(jīng)完全分解.
(a) 25 ℃ (b) 363 ℃ (c) 420 ℃
結(jié)合上述TG-MS分析,確定了NP在300~363 ℃之間的熱分解產(chǎn)物為含Ru的新化合物,同時(shí)釋放出NH3和HCl氣體;NP在363~420 ℃之間的熱分解反應(yīng)產(chǎn)物為單質(zhì)Ru、N2和HCl氣體[20].這是因?yàn)殡S著溫度升高到300 ℃,NP受熱分解,在高溫環(huán)境中,NH4+轉(zhuǎn)化為NH3和H+[21],其中NH3一部分隨分解釋放,另一部分則和分解固體產(chǎn)物結(jié)合形成含Ru中間產(chǎn)物,H+則和Cl-結(jié)合生成HCl氣體,經(jīng)計(jì)算得到含Ru中間產(chǎn)物的化學(xué)簡(jiǎn)式為(NH3)4Ru3Cl12,因此將第一階段的反應(yīng)方程式寫為:
3(NH4)2RuCl6→(NH3)4Ru3Cl12+6HCl↑+2NH3↑
(2)
當(dāng)反應(yīng)溫度到達(dá)363 ℃后,釋放的NH3憑借自身的還原性將Ru中間產(chǎn)物還原為單質(zhì)Ru,而NH3則與Ru(Ⅳ)發(fā)生氧化反應(yīng)生成N2,解離的H+和Cl-結(jié)合生成HCl氣體,故將第二階段的反應(yīng)方程式寫為:
(NH3)4Ru3Cl12→3Ru+2N2↑+12HCl↑
(3)
收集TG實(shí)驗(yàn)剩余物質(zhì)用XRD和SEM分析表征其物相和微觀組織及成分,得到NP熱分解產(chǎn)物XRD圖譜(圖5)與SEM和EDS圖譜(圖6).如圖5所示,NP熱分解產(chǎn)物的物相組成為單質(zhì)Ru,說(shuō)明NP完全轉(zhuǎn)化為單質(zhì)Ru.圖6表明NP在保護(hù)氣(Ar)中完成了熱分解自還原過(guò)程,即NP受熱分解過(guò)程中產(chǎn)生的NH3作為還原劑將Ru(Ⅳ)的化合物還原為零價(jià)Ru,證實(shí)了一步法工藝的可行性.同時(shí)還可看出,NP在受熱分解過(guò)程中由于在高溫下煅燒并釋放出氣體,導(dǎo)致產(chǎn)物的片塊狀特征削弱,出現(xiàn)了團(tuán)絮狀結(jié)構(gòu),同時(shí)粒徑更加均勻、細(xì)化.
圖5 熱分解產(chǎn)物的XRD圖譜 Fig.5 XRD pattern of decomposition residues
圖6 熱分解產(chǎn)物的SEM和EDS圖譜Fig.6 SEM & EDS patterns of decomposition residues
根據(jù)NP熱分解TG/DTG曲線分析,進(jìn)行初步的條件探索試驗(yàn),選定對(duì)NP熱分解影響較大的煅燒溫度、煅燒時(shí)間和物料量作為實(shí)驗(yàn)的三個(gè)影響因素開展單因素實(shí)驗(yàn),考察這三個(gè)因素對(duì)NP分解率的影響[22].稱取一定質(zhì)量的物料平鋪在方舟剛玉坩堝中,置于密閉的管式爐中,啟動(dòng)加熱程序之前先以一定的流速通入Ar以排凈爐腔內(nèi)的空氣,確保管內(nèi)為無(wú)氧環(huán)境后,點(diǎn)擊開關(guān)按鈕啟動(dòng)加熱程序,并持續(xù)通入Ar,直到煅燒階段結(jié)束、物料冷卻至室溫時(shí)停止通氣.
2.4.1 煅燒溫度的影響
煅燒溫度對(duì)NP的分解率有顯著影響.為了探究煅燒溫度對(duì)熱分解還原階段NP分解率的作用規(guī)律,在350~500 ℃范圍內(nèi)以50 ℃的溫度梯度設(shè)置了四個(gè)保溫溫度,物料分別在不同保溫溫度下保溫 90 min,以保證熱分解反應(yīng)充分進(jìn)行.為了單獨(dú)研究煅燒溫度對(duì)NP分解率的影響,采用了單因素方法進(jìn)行條件試驗(yàn),如物料量50 g,保溫時(shí)間90 min.用剛玉坩堝盛裝50 g NP物料在保護(hù)性氣氛中以10 ℃/min的升溫速率升溫到不同溫度點(diǎn)(350 ℃、400 ℃、450 ℃和500 ℃)并保溫90 min,隨后關(guān)掉電源結(jié)束加熱,待熱分解產(chǎn)物隨爐冷卻后取出,稱量剩余質(zhì)量,計(jì)算分解率,考察煅燒溫度對(duì)分解率的影響,圖7表示了煅燒溫度與NP分解率的關(guān)系.
圖7 煅燒溫度對(duì)分解率的影響Fig.7 Influence of calcination temperature on decomposition rate
NP是一種無(wú)機(jī)化合物,由分子和離子組成,相互之間的作用力主要依靠共價(jià)鍵、離子鍵和氫鍵及分子間作用力,如N—H鍵、H—Cl鍵和Ru—Cl鍵.當(dāng)溫度較低時(shí),物質(zhì)的動(dòng)能較小,物質(zhì)間的相互碰撞頻率低.所以,從圖7中可以看出,當(dāng)溫度升高到300 ℃左右時(shí),NP的分解率仍然處于較低水平,這時(shí)NP才開始轉(zhuǎn)化成含Ru中間產(chǎn)物并釋放出NH3和HCl氣體,在該過(guò)程中伴隨著N—H鍵的斷裂和H—Cl鍵的形成.并且在450 ℃之前,NP的分解率隨溫度升高顯著提高,450 ℃之后,分解率基本保持在100%左右,此時(shí)NP完全分解還原為Ru單質(zhì),這一變化趨勢(shì)可以解釋為:當(dāng)溫度持續(xù)升高到363 ℃時(shí),含Ru中間產(chǎn)物開始被NH3還原為單質(zhì)Ru,并釋放出N2和HCl氣體,在這個(gè)過(guò)程中涉及到Ru—Cl鍵、N—H鍵的斷裂以及N—N鍵和H—Cl鍵的形成.隨著溫度升高到450 ℃,含Ru中間產(chǎn)物完全分解為Ru單質(zhì),由于繼續(xù)升溫至500 ℃會(huì)造成更高的能耗,因此,選擇450 ℃為NP的最佳煅燒溫度.
2.4.2 煅燒時(shí)間的影響
影響NP分解率最重要的一個(gè)階段就是受熱分解階段,在這一階段,物料內(nèi)部發(fā)生了復(fù)雜的化學(xué)變化,單質(zhì)Ru就是在這一階段產(chǎn)生的.在熱分解還原階段,有兩個(gè)主要因素值得探究,一個(gè)是煅燒溫度,另一個(gè)就是煅燒時(shí)間.NP在熱分解過(guò)程中有兩個(gè)損失的主要途徑,一個(gè)是隨溫度升高釋放出揮發(fā)性氣體,一個(gè)是發(fā)生氧化還原反應(yīng)后生成單質(zhì)Ru.本試驗(yàn)將物料(50 g NP)置于管式爐中,在惰性氣氛中以10 ℃/min的升溫速率升溫到 450 ℃ 并保溫不同時(shí)長(zhǎng)(60 min,70 min,80 min和90 min),結(jié)束加熱后待熱分解產(chǎn)物隨爐冷卻后取出,稱量剩余質(zhì)量,計(jì)算分解率,以探究煅燒時(shí)間對(duì)分解率的影響,如圖8所示,結(jié)果表明,最佳時(shí)間為90 min.
圖8表示了熱分解煅燒時(shí)間對(duì)NP分解率的影響,從圖8中可以看出,NP的分解率與煅燒時(shí)間呈正相關(guān)關(guān)系,當(dāng)煅燒時(shí)間低于70 min時(shí),NP的分解率隨煅燒時(shí)間延長(zhǎng)增漲幅度更大,而在物料煅燒70 min后,物料分解率增漲幅度的走向開始趨于平緩,說(shuō)明NP在保溫到70 min前發(fā)生的熱分解反應(yīng)較為激烈,而在 70 min 后分解反應(yīng)的激烈程度較之前有所緩和,最終在90 min時(shí)已經(jīng)徹底完成熱分解反應(yīng),NP分解完全.如果繼續(xù)增加反應(yīng)時(shí)間不僅增加了能耗,還增加了單質(zhì)Ru被氧化的風(fēng)險(xiǎn),所以,最佳的煅燒時(shí)間應(yīng)該為90 min.
圖8 煅燒時(shí)間對(duì)分解率的影響Fig.8 Influence of calcination time on decomposition rate
2.4.3 物料量的影響
影響NP分解率的另一個(gè)重要影響因素是物料量.為了探究物料量對(duì)熱分解還原階段NP分解率的影響,在20~50 g范圍內(nèi)按照10 g的質(zhì)量梯度取20 g、30 g、40 g和 50 g NP分別置于管式爐中,讓不同量的物料在450 ℃下保溫 90 min,以保證充分發(fā)生熱分解反應(yīng).為了單獨(dú)研究物料量對(duì)NP分解率的影響,采用了單因素方法進(jìn)行條件試驗(yàn),如保溫溫度450 ℃,保溫時(shí)間90 min.用相同的剛玉坩堝盛裝不同物料量(20 g、30 g、40 g 和 50 g)NP,在保護(hù)性氣氛中以 10 ℃/min 的升溫速率升溫到 450 ℃,并保溫90 min,隨后關(guān)掉電源結(jié)束加熱,結(jié)束加熱后待熱分解產(chǎn)物隨爐冷卻后取出,稱量剩余質(zhì)量,計(jì)算分解率,考察煅燒時(shí)間對(duì)分解率的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示.
圖9 物料量對(duì)分解率的影響 Fig.9 Influence of material weighton decomposition rate
圖9表示物料量對(duì)NP分解率的作用規(guī)律,從圖9可以看出,NP的分解率隨物料量的增加呈現(xiàn)降低的趨勢(shì),并且當(dāng)物料量在30 g左右時(shí)NP的分解率達(dá)到100%,表明 30 g 物料在 450 ℃ 下保溫90 min后,NP基本分解完全.這說(shuō)明了熱源提供的熱量滿足該條件下NP對(duì)熱量的需求.當(dāng)物料量大于30 g時(shí),NP的分解率開始降低,當(dāng)物料量增大到50 g時(shí),NP的分解率降低到99.6%,表明隨著物料量增多,熱源提供的能量不足以供NP完全分解,為了保證NP能夠完全分解還原,選擇最佳物料量為30 g.
為探究煅燒溫度、煅燒時(shí)間和物料量對(duì)分解率的非線性影響,基于單因素實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)上述三個(gè)因素進(jìn)行三因素三水平的正交試驗(yàn),以期優(yōu)化NP熱分解制備釕粉一步法工藝[23].實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2,NP熱分解L9(33)正交試驗(yàn)方案和結(jié)果見(jiàn)表3.
表2 正交因素和水平表
表3 NP熱分解工藝優(yōu)化正交試驗(yàn)結(jié)果
從表3中的極差分析可知,A、B和C三個(gè)因素對(duì)NP分解率影響順序?yàn)锳>C>B,優(yōu)化組合為A3C3B3.說(shuō)明為了提高NP的分解效率和節(jié)約成本,可以適當(dāng)提高煅燒溫度,減少物料量和縮短煅燒時(shí)間.取A3C3B3進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn),即煅燒溫度500 ℃,煅燒時(shí)間80 min,物料量40 g.在優(yōu)化條件下,進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn),測(cè)得其分解率分別為99.4%、99.8%和99.7%,其平均分解率為99.6%,NP基本完全分解.
本文利用TG-MS技術(shù)探究NP一歩法制備釕粉的機(jī)理,并利用單因素法分析了煅燒時(shí)間、煅燒溫度和物料量對(duì)NP分解率的影響,最后使用正交法優(yōu)化工藝參數(shù),得到如下結(jié)論:
1) 對(duì)NP進(jìn)行熱重質(zhì)譜分析,發(fā)現(xiàn)其熱分解過(guò)程分兩步進(jìn)行,對(duì)應(yīng)熱分解機(jī)理為:第一步熱分解的主反應(yīng)溫度區(qū)間在300~363 ℃ 之間,主要發(fā)生NP受熱轉(zhuǎn)化成含Ru中間產(chǎn)物并生成NH3和HCl氣體的反應(yīng);第二步熱分解的主反應(yīng)溫度區(qū)間則在363~420 ℃,反應(yīng)則以含Ru中間產(chǎn)物的自還原為主,即NH3將Ru(Ⅳ)還原為單質(zhì)釕,釋放出N2和HCl氣體.
2) 采用XRD與SEM和EDS對(duì)NP的熱分解產(chǎn)物進(jìn)行物相分析和微觀形貌分析,結(jié)果表明NP在保護(hù)氣氛中實(shí)現(xiàn)了熱分解自還原生成釕粉一步法.
3) 根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)和正交試驗(yàn)得出NP的最佳分解工藝為:煅燒溫度500 ℃,煅燒時(shí)間 80 min,物料量 40 g,此時(shí)分解率高達(dá)99.6%,NP基本分解完全.