專利名稱：一種生產(chǎn)三氟化氮氣體的碳電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種碳電極，特別適合于電解法生產(chǎn)三氟化氮氣體的碳電極。
背景技術(shù)：
三氟化氮(NF3)氣體的制備方法主要分為化學(xué)方法和電解方法。化學(xué)方法需要首先制備F2，然后F2與含氮物質(zhì)反應(yīng)制備NF2，而電解法僅需一步即可制得——電解NH4HF2·HF的熔鹽，因此電解法得到廣泛的應(yīng)用。在電解法生產(chǎn)NF3過程中，鎳材料電極以其優(yōu)良的特性而得到廣泛的應(yīng)用。
隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，半導(dǎo)體元件的用量大幅提高，與此同時，作為集成電路制造過程中應(yīng)用的氣體以及CVD裝置用的清洗劑氣體，即NF3的需求量急劇增加，但是生產(chǎn)NF3的企業(yè)也越來越多，鎳的價格不斷上漲，造成生產(chǎn)NF3的利潤降低。在以鎳為陽極電解生產(chǎn)NF3過程中，鎳陽極被嚴(yán)重腐蝕而形成Ni2+，而部分Ni2+與電解質(zhì)中的F-結(jié)合生成NiF2，另外一部分被電鍍到陰極，如此不僅僅造成鎳陽極的消耗，同時造成電解質(zhì)被大量污染，而且增加電解槽的管理成本，這樣改變陽極成為降低生產(chǎn)成本的一個重要渠道。其中，碳電極是目前應(yīng)用比較成熟的電極，同時考慮到電解生成NF3的機(jī)理，碳電極成為一個不錯的選擇其電流效率大于90％，應(yīng)用時間長，不產(chǎn)生底渣，減少電解質(zhì)的浪費，但是碳電極也有其缺點——電流低、時空產(chǎn)量低、電解氣體中雜質(zhì)含量高。
近年來，為解決碳電極應(yīng)用時間短的問題，日本專利特開平5-86490在碳電極中加入金屬氟化物，取得比較理想的結(jié)果，使電流密度得到明顯增大，但是其并沒有達(dá)到電解槽最合適的時空產(chǎn)量。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明提供了一種生產(chǎn)三氟化氮氣體的碳電極，它有效電解面積大，單位時間內(nèi)的產(chǎn)量高，生產(chǎn)成本低，而且設(shè)備簡單，大大提高了電極槽的時空產(chǎn)量。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采取的技術(shù)方案是碳電極是橫截面為矩形的長條狀，前后兩個大平面為電極工作區(qū)和與陽極導(dǎo)電板接觸區(qū)，其特征在于在所述的電極工作區(qū)上均布有增加有效電解面積的凸起或凹槽。
所述電極工作區(qū)上的凸起或凹槽的形狀為波紋狀結(jié)構(gòu)或鋸齒狀結(jié)構(gòu)。
所述電極工作區(qū)上凸起或凹槽的波紋狀結(jié)構(gòu)或鋸齒狀結(jié)構(gòu)的方向為沿碳電極的長度方向，即豎直方向。
所述電極工作區(qū)上的凸起或凹槽的形狀為波紋狀結(jié)構(gòu)縱橫交錯而組成的波紋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或鋸齒狀結(jié)構(gòu)縱橫交錯而組成的鋸齒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
所述碳電極的波紋狀結(jié)構(gòu)或波狀網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其波長為1mm～10mm，波峰與波谷的距離為1mm～10mm。
所述碳電極的鋸齒狀結(jié)構(gòu)或鋸齒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鋸齒的橫截面為等腰三角形，腰長為1mm～10mm，頂角為30°～75°。
本發(fā)明有效電解面積大，單位時間內(nèi)的產(chǎn)量高，生產(chǎn)成本低，而且設(shè)備簡單，大大提高了電極槽的時空產(chǎn)量。


下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
圖1為本發(fā)明第一實施例主視圖；圖2為本發(fā)明第一實施例俯視圖；圖3為本發(fā)明第二實施例主視圖；圖4為本發(fā)明第二實施例俯視圖；圖5為本發(fā)明第二實施例左視圖；圖6為本發(fā)明第三實施例主視圖；圖7為本發(fā)明第三實施例俯視圖；圖8為本發(fā)明第四實施例主視圖；圖9為本發(fā)明第四實施例俯視圖；圖10為本發(fā)明第四實施例左視圖。
具體實施例方式
碳電極是橫截面為矩形的長條狀，前后兩個大平面為電極工作區(qū)1和與陽極導(dǎo)電板接觸區(qū)2，其特征在于在所述的電極工作區(qū)1上均布有增加有效電解面積的凸起4或凹槽3。所述電極工作區(qū)1上的凸起4或凹槽3的形狀為波紋狀結(jié)構(gòu)或鋸齒狀結(jié)構(gòu)，如圖1、2、6、7所示。所述電極工作區(qū)1上凸起4或凹槽3的波紋狀結(jié)構(gòu)或鋸齒狀結(jié)構(gòu)的方向為沿碳電極的長度方向，即豎直方向。豎直方向的結(jié)構(gòu)不容易形成氣泡鏈，更利于NF3的生產(chǎn)；若為橫向結(jié)構(gòu)，電極生成的氣體會在電極凹處進(jìn)行集結(jié)，增加電解體系的整體電阻，降低電極的有效電解面積，反而不利于進(jìn)行電解。所述電極工作區(qū)1上的凸起4或凹槽3的形狀為波紋狀結(jié)構(gòu)縱橫交錯而組成的波紋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖3、4、5所示；或鋸齒狀結(jié)構(gòu)縱橫交錯而組成的鋸齒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖8、9、10所示。
所述碳電極的波紋狀結(jié)構(gòu)或波紋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其波長為1mm～10mm，波峰與波谷的距離為1mm～10mm。波峰與波谷的距離不能太大，否則，陰極與陽極不同點的單位面積對應(yīng)的電阻相差太大，生成的氣體亦不宜脫附，不利于生產(chǎn)轉(zhuǎn)化率較高的氣體。
所述碳電極的鋸齒狀結(jié)構(gòu)或鋸齒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鋸齒的橫截面為等腰三角形，腰長為1mm～10mm，頂角為30°～75°。
本發(fā)明電解制備NF3與現(xiàn)有碳電極電解制備NF3的工藝條件基本相同，即HF∶NH4HF2的物質(zhì)的量比為0.3～0.9，電解溫度為90℃～140℃，電壓為5V～10V，電解槽的工作壓力為-.001MPa～0.01MPa，陰極與陽極之間的距離為25mm～60mm。
當(dāng)電解電壓為7V時，陽極原子的空軌道處于恰當(dāng)?shù)哪芗?，該能級與負(fù)離子失去的電子的能級處于相同的能帶。為了提高負(fù)離子單位時間內(nèi)失去電子的量，提高電解遏制與電極的接觸面積，從而提高電解槽的時空產(chǎn)率，而實際電流密度并沒有急劇增加，反而有微弱的降低。其原因為在凹處，生成氣體積聚造成電解質(zhì)電阻增大，而在凸處，由于電流密度非常大，相對于平面電極，該部位更容易形成一層氟化膜，影響電流密度。
在電解生產(chǎn)NF3過程中，在整個碳電極上的電流密度是隨著電解質(zhì)深度的增加而增加的，同時，電極的邊緣效應(yīng)非常突出，通過計算可以看出有邊緣效應(yīng)影響的部位的電流密度是沒有電流效應(yīng)的部位的電流密度的1.6倍。這樣可通過增加電極的棱角的面積來增加電解電流，尤其是對電極下部而言，增加電極表面的棱角可明顯增加通過電極的電流值。
在電解生產(chǎn)NF3過程中，電解電壓不能過低，否則，電解氣體中F2、N2的含量明顯增加，導(dǎo)致電解的轉(zhuǎn)化率過低，電解電壓過高時，轉(zhuǎn)化率同樣不高。電解溫度不能低于90℃，否則電解質(zhì)的擴(kuò)散速率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電解消耗速率，造成嚴(yán)重的濃度極化，降低電解槽的時空產(chǎn)量，當(dāng)電解質(zhì)溫度為140℃時，電解已不會生成F2，但是，電解質(zhì)尤其是HF的揮發(fā)量會大大增加，造成生產(chǎn)成本較高，不利于工業(yè)生產(chǎn)。電解質(zhì)的配比并不是按照化學(xué)反應(yīng)的配比進(jìn)行的，考慮到生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，電解質(zhì)的配比為0.3～0.9。電解過程中陽極氣室與陰極氣室的壓差不能過大，否則會造成電解氣體混和而發(fā)生爆炸，同時，維持電解槽氣室的壓力為負(fù)壓有利于電解生成氣體的脫附，可進(jìn)一步增加電解槽的產(chǎn)量。陰極與裙板、陽極與裙板之間的距離要處于適當(dāng)?shù)姆秶渚嚯x太短容易造成陰陽極氣體混合爆炸，而距離太大則導(dǎo)致電解體系的電阻太大而不利于電解。
實施例1在電解槽槽蓋上設(shè)置裙板將電解槽分成兩個電解氣室，隔開陰極與陽極電解所產(chǎn)生的氣體。電解槽所配置的電極為齒狀碳電極，其厚度為60mm，寬為180mm，長為420mm，齒距為4mm，齒高約3.5mm，有效電解的表面積為684cm2。電解質(zhì)在以碳電極電解前，需要進(jìn)行除水，使電解質(zhì)中水的含量低于20ppm。電解電壓為7V、電解質(zhì)溫度為130℃、電解質(zhì)物質(zhì)的量比HF∶NH4HF2＝0.4、陰極與陽極之間的距離為45mm的條件下，電流為185A，所以電流密度為67.6mA/cm2。
實施例2在與實施例1相同設(shè)置的電解槽中，其工作碳電極為波狀碳電極，其厚度為60mm，寬為180mm，長為420mm，波長為4mm，振幅約4mm，有效電解的表面積為537cm2。在與實施例1相同的工藝條件下，電流為151A，所以電流密度為70.2mA/cm2。
實施例3在與實施例1相同設(shè)置的電解槽中，其工作碳電極為以波狀碳電極為基礎(chǔ)的波紋網(wǎng)狀碳電極，厚度為60mm，寬為180mm，長為420mm，波長為4mm，振幅約4mm，有效電解的表面積為715cm2。在與實施例1相同的工藝條件下，電流為198A，所以電流密度為69.2mA/cm2。
對比例在與實施例1相同設(shè)置的電解槽中，其工作碳電極為平板碳電極，其寬為180mm，長為420mm，有效電解表面積為342cm2。電解質(zhì)在以碳電極電解前，需要進(jìn)行除水，使電解質(zhì)中水的含量低于20ppm，電解電壓為7V、電解質(zhì)溫度為130℃、電解質(zhì)物質(zhì)的量比HF∶NH4HF2＝0.4、陰極與陽極之間的距離為45mm的條件下，電解電流為95A，所以電流密度為69.4mA/cm2。
表1

如表1所示，就電流密度而言，波狀碳電極的電流密度最大，但綜合各種因素，實施例3所用的網(wǎng)狀電極最為合理，在電解槽的設(shè)置及工藝條件均不變的情況下，即可在單位時間內(nèi)使電解槽達(dá)到最大的產(chǎn)量。
權(quán)利要求
1.一種生產(chǎn)三氟化氮氣體的碳電極，碳電極是橫截面為矩形的長條狀，前后兩個大平面為電極工作區(qū)(1)和與陽極導(dǎo)電板接觸區(qū)(2)，其特征在于在所述的電極工作區(qū)(1)上均布有增加有效電解面積的凸起(4)或凹槽(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳電極，其特征在于所述電極工作區(qū)(1)上的凸起(4)或凹槽(3)的形狀為波紋狀結(jié)構(gòu)或鋸齒狀結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳電極，其特征在于所述電極工作區(qū)(1)上凸起(4)或凹槽(3)的波紋狀結(jié)構(gòu)或鋸齒狀結(jié)構(gòu)的方向為沿碳電極的長度方向，即豎直方向。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳電極，其特征在于所述電極工作區(qū)(1)上的凸起(4)或凹槽(3)的形狀為波紋狀結(jié)構(gòu)縱橫交錯而組成的波紋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)或鋸齒狀結(jié)構(gòu)縱橫交錯而組成的鋸齒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的碳電極，其特征在于所述碳電極的波紋狀結(jié)構(gòu)或波紋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其波長為1mm～10mm，波峰與波谷的距離為1mm～10mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或4所述的碳電極，其特征在于所述碳電極的鋸齒狀結(jié)構(gòu)或鋸齒網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，鋸齒的橫截面為等腰三角形，腰長為1mm～10mm，頂角為30°～75°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種碳電極，特別適合于電解法生產(chǎn)三氟化氮氣體的碳電極，碳電極是橫截面為矩形的長條狀，前后兩個大平面為電極工作區(qū)和與陽極導(dǎo)電板接觸區(qū)，其特征在于在所述的電極工作區(qū)上均布有增加有效電解面積的凸起或凹槽。它有效電解面積大，單位時間內(nèi)的產(chǎn)量高，生產(chǎn)成本低，而且設(shè)備簡單，大大提高了電極槽的時空產(chǎn)量。
文檔編號C25B1/00GK101086069SQ20071006215
公開日2007年12月12日 申請日期2007年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月13日
發(fā)明者冀延治, 王斌, 王少波, 李本東, 楊獻(xiàn)奎, 隋希平, 于偉 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一八研究所