一种高纯氧化镓的制备方法及制备装置与流程

本发明涉及氧化镓的制备领域，具体涉及一种高纯氧化镓的制备方法及制备装置。

背景技术：

氧化镓是一种优良的宽带隙半导体，具有优良的电学和光学性质，被用于制备气敏传感器、紫外探测器、薄膜电致发光器件显示器件、透明导电薄膜，并展现出广阔的发展前景和应用空间。高纯氧化镓是制备钆镓石榴石的原料，钆镓石榴石单晶是液相外延yig(钇铁石榴石)以及类yig等磁光薄膜的理想衬底材料。

目前高纯氧化镓的制备方法很多，例如：以镓为原料，通过在碱液中三段电解法制得高纯氧化镓；采用ga(no3)3·xh2o为主要原料，添加无水乙醇和氨水后采用微波水热技术方法制备高纯氧化镓；使金属镓与硫酸反应生成硫酸镓，硫酸镓再与硫酸铵在水溶液中聚合结晶析出硫酸镓铵晶体，硫酸镓铵晶体经过烘干、焙烧，获得高纯氧化镓。

问题在于，上述制备方法中，三段电解法和硫酸钾接结晶提纯法的工艺流程长，耗时大，工艺复杂，不利于大规模高效地制备氧化镓；微波水热法难以彻底反应，容易有杂质残留，无法保证氧化镓的纯度。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请提供一种高纯氧化镓的制备方法，通过高温水热反应制备出羟基氧化镓和氧化镓，再烘干并煅烧，使羟基氧化镓分解为氧化镓和水，水分蒸发逸出后，即获得高纯氧化镓。本申请还提供一种用于制备高纯氧化镓的制备装置。

为解决以上技术问题，本发明提供的技术方案是一种高纯氧化镓的制备方法，包括如下步骤：

金属镓与水混合反应生成混合物；

混合物过滤并烘干；

煅烧混合物，生成氧化镓。

优选的，所述金属镓与水混合反应生成混合物步骤，具体为：

取金属镓与水混合，镓与水的质量比为1:2-1:8；

将镓和水的混合物放入高压反应容器中，在150-250℃温度下反应1-1.5h，生成羟基氧化镓和氧化镓。

优选的，镓和水在高压反应容器中反应时持续进行搅拌。

优选的，所述煅烧混合物步骤，具体为：混合物在700-800℃温度下煅烧1-2h。

优选的，所述金属镓与水混合反应生成混合物步骤，添加原料包括金属镓、水和滤出液，所述滤出液来自混合物过滤并烘干步骤。

优选的，所述金属镓的纯度为4n，所述水为去离子水。

本发明还提供一种高纯氧化镓制备装置，包括高压容器，所述高压容器内设有电机驱动的搅拌杆，所述搅拌杆端部设有至少两组搅拌叶片，每组所述搅拌叶片之间的投影不重叠。

优选的，所述高压容器内设有带通孔的隔板，所述搅拌杆穿过通孔设置，所述电机和搅拌叶片分设在隔板两侧。

本申请与现有技术相比，其有益效果为：

金属镓与水反应后生成羟基氧化镓和氧化镓和混合物，通过烘干煅烧，即可使羟基氧化镓分解为氧化镓，简化了生产流程。制备过程中除了水无需其他化学药剂的掺杂，无需对反应物进行分离提纯操作，避免了杂质离子的混入影响纯度。

高压反应容器中，水的沸点增加，使得水热反应可以在更高的温度情况下进行，提高了反应速率和反应进行的程度。

水热反应生成的羟基氧化镓和氧化镓不溶于水，在进行过滤后，过量未反应的滤出液，即去离子水，重新作为原料添加到高压容器内，与新加入的金属镓和去离子水作为原料进行反应，提高了原料的利用效率。

在高压容器内设置的搅拌棒能维持反应溶液的流动，确保原料能充分接触反应，提高反应效率。

搅拌叶片的投影不重叠，在搅拌棒转动时，不同组叶片之间的水流搅动不同步，使得水流在纵向上也能形成对流，使搅动混合更加充分。

带通孔的隔板将搅拌棒的位置固定，搅拌棒及安装在上面的叶片能稳定处于高压容器的中轴线上，对整个容器内的原料进行均匀彻底的搅拌混匀。

附图说明

图1为本发明高纯氧化镓的制备方法流程图；

图2为本发明高纯氧化镓制备装置的结构示意图。

附图标记：高压容器1、电机2、搅拌杆31、搅拌叶片32、隔板4、金属镓5、去离子水6。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，本实施例提供一种高纯氧化镓的制备方法，包括如下步骤：

取4n纯度的金属镓与去离子水混合，镓与水的质量比为1:2-1:8；

将镓和水的混合物放入高压反应容器中，在150-250℃温度下持续搅拌，进行1-1.5h的水热反应，生成羟基氧化镓和氧化镓的混合物；

将混合物过滤，滤下的固体烘干；滤出液与去离子水混合作为原料使用；

固体混合物在700-800℃温度下煅烧1-2h，羟基氧化镓分解生成氧化镓。

本申请中所述4n纯度为当量试剂的纯度表示方法，即99.99％的纯度。

金属镓与高温水进行水热反应时，下叙反应同时进行：

2ga+3h2o＝ga2o3+3h2↑

2ga+4h2o＝2gaooh+3h2↑

煅烧羟基氧化镓和氧化镓混合物时，羟基氧化镓发生分解反应：

2gaooh＝ga2o3+h2o↑

上述反应过程中没有其它化学试剂的添加，避免了杂质离子的混入。反应中的氢气和水都能方便建议地去除，保证了最终生成氧化镓的纯度。

实施例一

取4n纯度的金属镓与去离子水混合，镓与水的质量比为1:2；

将镓和水的混合物放入高压反应容器中，在150℃温度下持续搅拌，进行1.5h的水热反应，生成羟基氧化镓和氧化镓的混合物；

将混合物过滤，滤下的固体烘干；滤出液与去离子水混合作为原料使用；

固体混合物在700℃温度下煅烧2h，羟基氧化镓分解生成氧化镓。

实施例二

取4n纯度的金属镓与去离子水混合，镓与水的质量比为1:4；

将镓和水的混合物放入高压反应容器中，在180℃温度下持续搅拌，进行1.4h的水热反应，生成羟基氧化镓和氧化镓的混合物；

将混合物过滤，滤下的固体烘干；滤出液与去离子水混合作为原料使用；

固体混合物在730℃温度下煅烧1.8h，羟基氧化镓分解生成氧化镓。

实施例三

取4n纯度的金属镓与去离子水混合，镓与水的质量比为1:6；

将镓和水的混合物放入高压反应容器中，在210℃温度下持续搅拌，进行1.3h的水热反应，生成羟基氧化镓和氧化镓的混合物；

将混合物过滤，滤下的固体烘干；滤出液与去离子水混合作为原料使用；

固体混合物在770℃温度下煅烧1.4h，羟基氧化镓分解生成氧化镓。

实施例四

取4n纯度的金属镓与去离子水混合，镓与水的质量比为1:8；

将镓和水的混合物放入高压反应容器中，在250℃温度下持续搅拌，进行1h的水热反应，生成羟基氧化镓和氧化镓的混合物；

将混合物过滤，滤下的固体烘干；滤出液与去离子水混合作为原料使用；

固体混合物在800℃温度下煅烧1h，羟基氧化镓分解生成氧化镓。

实施例五

请参考图2，本实施例提供一种高纯氧化镓制备装置，包括高压容器1，高压容器1内设有电机2驱动的搅拌杆31，电机2设置在高压容器1外。搅拌杆31端部设有两组搅拌叶片32，每组搅拌叶片32之间的投影不重叠；高压容器1内设有带通孔的隔板4，搅拌杆31穿过通孔设置，电机2和搅拌叶片32分设在隔板4两侧。

本实施例提供的高纯氧化镓制备装置，将金属镓5和去离子水6放入高压容器1并封闭后，启动电机2，搅拌叶片32对原料持续不断地进行搅拌。通过加热并升高高压容器1内的压力，使去离子水6的温度达到180-250℃，金属镓5和去离子水6发生水热反应，生成羟基氧化镓和氧化镓。作为优选项，高压容器1采用钛合金材质制成，使得反应过程中，容器本体不会在水中析出离子，影响氧化镓纯度。

高压容器1可根据生产需要调整容量大小，例如设置为大型反应釜体，可一次投料量可达100kg以上，便于工业化规模化量产。该制备方法工序流程短，能量消耗少，实现了高纯氧化镓高效方便地制备。制备过程中金属镓无损耗流失，也没有危害性的废料排放，原料利用率高，不造成浪费。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。