一、不同氧含量的粉末觸媒（以Fe70Ni30為例）合成單產(chǎn)對(duì)比

       下表所示為曾經(jīng)國(guó)內(nèi)不同廠家所用粉末觸媒氧含量的測(cè)試結(jié)果及對(duì)應(yīng)的合成單產(chǎn)。由表可以看出，除河南某公司所用觸媒氧含量較高外，其余廠家所用觸媒的氧含量基本都控制在300ppm左右甚至于200ppm以下。由各廠家觸媒所得金剛石的單產(chǎn)來(lái)看，都集中在60-64ct之間，而且單產(chǎn)隨著氧含量的增加還稍有提高。在本文中經(jīng)高溫真空處理后的氧含量為370ppm，對(duì)應(yīng)的單產(chǎn)為61.7ct。考慮到各觸媒中微量元素的差異對(duì)合成效果的影響，可以認(rèn)為當(dāng)粉末觸媒中的氧含量在550ppm以下范圍波動(dòng)時(shí)，對(duì)觸媒催化活性的影響不大，同時(shí)氧含量的增加沒(méi)有對(duì)金剛石的單產(chǎn)造成影響，即氧含量在此范圍內(nèi)時(shí)不會(huì)對(duì)金剛石的成核產(chǎn)生抑制作用。

       二、 氧對(duì)粉末觸媒合成金剛石的影響

       我們知道，氧在粉末觸媒顆粒中主要是通過(guò)與觸媒生成氧化物進(jìn)而影響其晶格常數(shù)、與石墨的濕潤(rùn)性、碳的擴(kuò)散和運(yùn)輸能力以及合成環(huán)境（壓力、溫度）等來(lái)影響合成金剛石的質(zhì)量。究其原因可能有以下兩個(gè)方面：

       1、一方面由于觸媒合金中氧含量的增大，可能使其晶格常數(shù)增大而導(dǎo)致與觸媒的選擇原則不符；另一方面由于高熔點(diǎn)的Fe、Ni觸媒元素氧化物以顆粒形態(tài)存在于觸媒中，降低了觸媒的活化能力和對(duì)碳原子的濕潤(rùn)性，減緩了碳的溶解和遷移率，使金剛石的成核、生長(zhǎng)因碳原子供給不足而減緩，在相同的時(shí)間內(nèi)，達(dá)不到相應(yīng)的粒度和產(chǎn)量。特別是在合成過(guò)程中，擴(kuò)散進(jìn)入觸媒中的碳原子有很強(qiáng)的活性，它可能與觸媒中少量金屬氧化物相互作用形成CO（C+[O]=CO↑+△H），一旦上述反應(yīng)發(fā)生，對(duì)金剛石的生長(zhǎng)將會(huì)產(chǎn)生很多不利的影響。首先由于氣相CO 的產(chǎn)生使碳原子不能與觸媒熔體很好的接觸，破壞了晶體生長(zhǎng)的連續(xù)性；其次，如果CO 的濃度過(guò)高會(huì)產(chǎn)生一個(gè)高壓氣相電阻層，使合成的加熱電流不穩(wěn)定。另外，CO 的出現(xiàn)還會(huì)使腔體內(nèi)出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的壓力場(chǎng)，而金剛石成核和生長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力來(lái)源于體系中石墨-金剛石的自由能差，這個(gè)差值又與過(guò)剩壓成正比。因此，體系中將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)不穩(wěn)定的金剛石晶體生長(zhǎng)溫度場(chǎng)壓力場(chǎng)，從而不利于生成晶形完整、抗壓強(qiáng)度高的金剛石晶體。

       2、由上表可知有些廠家所用的Fe70Ni30粉末觸媒中氧含量甚至低至150ppm，那么氧含量的降低是否能夠相應(yīng)的提高合成金剛石的質(zhì)量呢？我們認(rèn)為不然。其理論根據(jù)是：由于不同的觸媒金屬其電子結(jié)構(gòu)即d 帶空穴的多少不同，而d 帶空穴的多少與觸媒的活性有直接關(guān)系。d 帶空穴越多，吸附能力就越強(qiáng)，解吸也就越困難，對(duì)于催化過(guò)程來(lái)說(shuō)，其催化活性就越??；反之，d 帶空穴越少，其催化活性也越小，因此觸媒金屬的催化活性與所用的觸媒金屬和氧含量?jī)煞矫娑加嘘P(guān)系，兩者之間的配比應(yīng)該有一最佳值。對(duì)于Fe70Ni30粉末觸媒來(lái)說(shuō)，由于Fe 的d 帶空穴電子數(shù)為2.22，相對(duì)于Co（1.71）和Ni（0.6）來(lái)說(shuō)相對(duì)較大，因此相對(duì)于Ni基觸媒來(lái)說(shuō)，F(xiàn)e基觸媒的氧含量高一點(diǎn)可能更有利于提高其觸媒活性。

       三、高溫真空處理對(duì)粉末觸媒合成棒氧含量的影響

       上文已述，在人造金剛石的合成過(guò)程中，進(jìn)入觸媒中的氧原子有很強(qiáng)的活性，對(duì)金剛石的生長(zhǎng)將會(huì)產(chǎn)生很多不利的影響。該反應(yīng)能否進(jìn)行，依據(jù)壓力和熱力學(xué)條件而定，增大壓力能使反應(yīng)向左進(jìn)行，升高溫度能使反應(yīng)向右進(jìn)行。合成金剛石是在一定的高溫高壓條件下進(jìn)行的，在合成的初始階段，溫度較低，反應(yīng)并不明顯，隨著溫度的升高和觸媒中溶解碳的濃度不斷提高及活性增強(qiáng)，反應(yīng)就有可能進(jìn)行，至于反應(yīng)的起始溫度，則取決于氧含量和其它雜質(zhì)的影響。

       在本文實(shí)驗(yàn)所用觸媒粉末中，未經(jīng)處理前的Fe粉中氧含量高達(dá)1.46%，Ni粉中的氧含量也有0.26%，按照文獻(xiàn)所述，如此高的氧含量在合成前如不進(jìn)行還原處理，則不可能合成出金剛石。然而經(jīng)過(guò)高溫真空處理后各種配比的合成棒都能得到不同產(chǎn)量的金剛石，這表明本實(shí)驗(yàn)前對(duì)粉末觸媒合成棒的高溫真空處理工藝能夠有效調(diào)節(jié)觸媒中的氧含量，使之調(diào)整到適宜于Fe基觸媒合成金剛石的范圍內(nèi)，而不是盡可能的降低粉末觸媒中的氧含量。原因有兩個(gè)方面：

       1、當(dāng)觸媒中的氧含量將低到一定值時(shí)，如果繼續(xù)高溫真空處理會(huì)使除氧過(guò)程變得非常緩慢，使成本提高。

       2、由于Fe的d空穴數(shù)較Ni、Co大，觸媒中的氧可以起到調(diào)節(jié)觸媒催化活性的作用。

       上述分析同時(shí)還給我們一個(gè)信息，就是在粉末觸媒的生產(chǎn)過(guò)程中可以適當(dāng)降低對(duì)其氧含量的要求，因?yàn)榧词乖陟F化制粉中將粉末中的氧含量控制在一個(gè)很低的水平，在觸媒的保存及運(yùn)輸使用過(guò)程中不可避免的會(huì)被一定程度的氧化，而且在霧化制粉時(shí)將粉末中的氧含量控制在數(shù)百ppm以?xún)?nèi)對(duì)霧化制粉設(shè)備的要求較高，使霧化制粉的成本大幅提高，而高溫真空處理可以有效的除去粉末中的氧，這樣觸媒粉末的生產(chǎn)成本就能夠大幅降低。