[发明专利]介孔硅

说明书

技术领域

本发明涉及介孔硅、制备介孔硅的方法、可通过所述方法获得的介孔硅以及介孔硅的用途。具体地讲，该介孔硅可以为介孔无定形硅或包含至少一些介孔无定形硅。此外，本发明涉及可衍生自植物尤其是陆生类植物的介孔硅。

发明背景

多孔硅存在于许多需要其温和性质、电子和光学特性以及对其他材料的截留的应用中。

多孔硅能以晶体形式（例如多晶多孔硅）或非晶体形式（即无定形多孔硅）存在。无定形多孔硅往往比晶体多孔硅更具反应性。此外，无定形和晶体多孔硅具有不同的光学特性。晶体相的存在或不存在可使用x射线衍射容易地确定。

存在许多可用于制备多孔硅的方法。例如并且如PCT/GB96/01863中所述，能通过在基于氢氟酸的溶液中部分电化学溶解而使得大块晶体硅成为多孔的。这种蚀刻工艺产生保持原始大块材料的结晶度和晶向的硅结构。因此，所产生的多孔硅为晶体硅的形式。

另一种制备多孔硅的常规方法是所谓的染色蚀刻技术。这种方法涉及将硅样品浸入含有强氧化剂的氢氟酸溶液中。与硅之间没有电接触，也不施加电势。氢氟酸蚀刻硅的表面以形成孔。

还已知的是，由多孔二氧化硅形成晶体多孔硅。通常，这涉及在高温下使用还原剂。此类工艺导致高度结晶的多孔硅。

一直需要替代的并优选改良的制备多孔硅的方法。本发明的目标是提供制备介孔硅尤其是介孔无定形硅的方法，其中优选的是，该方法比现有方法更经济可行。另外，本发明部分地基于以下令人惊讶的发现：介孔无定形硅可使用强放热反应由介孔无定形二氧化硅制成。任选地，二氧化硅来源于便宜的、可持续的并且容易获得的来源。

发明概要

本发明描述由二氧化硅通常为无定形二氧化硅（例如介孔无定形二氧化硅）制备介孔硅的方法。该介孔硅可包含至少一些介孔无定形硅。另外，该介孔硅可由介孔无定形硅组成、基本上由介孔无定形硅组成或包含介孔无定形硅。在本文提及介孔无定形硅表示介孔硅可由介孔无定形硅组成、基本上由介孔无定形硅组成或包含介孔无定形硅。介孔无定形硅可进一步包含多晶硅（例如介孔多晶硅）。作为另外一种选择，多晶硅（例如介孔多晶硅）可以不存在或基本上不存在。介孔硅所来源的二氧化硅可以为无定形二氧化硅，例如其可以为介孔无定形二氧化硅。二氧化硅可由介孔无定形二氧化硅组成、基本上由介孔无定形二氧化硅组成或包含介孔无定形二氧化硅。在本文提及介孔无定形二氧化硅表示介孔二氧化硅可由介孔无定形二氧化硅组成、基本上由介孔无定形二氧化硅组成或包含介孔无定形二氧化硅。有利的是，二氧化硅衍生自或得自植物材料。具体地讲，二氧化硅可衍生自或得自陆生类植物。陆生类植物在本文也可称为陆地植物。二氧化硅可衍生自或得自不包括在海洋中生长的植物的植物。二氧化硅可使用诸如溶剂提取的提取技术衍生自或得自植物材料。提取可在存在热的情况下进行。

因此，在第一方面，本发明提供制备介孔无定形硅的方法，该方法包括还原无定形二氧化硅。通常，无定形二氧化硅为介孔无定形二氧化硅。

在第二方面，本发明提供制备介孔无定形硅的方法，该方法包括从植物材料获得无定形二氧化硅以及将二氧化硅还原以形成介孔无定形硅。通常，无定形二氧化硅为介孔无定形二氧化硅。

介孔无定形硅可完全由无定形硅组成或可以存在本发明量的多晶相。晶体相的存在可使用x射线衍射加以确认。例如，<40重量%的元素介孔无定形硅可以为多晶的，<10重量%的元素介孔无定形硅可以为多晶的，<1重量%的元素介孔无定形硅可以为多晶的，>0.1重量%的元素介孔无定形硅可以为多晶的。可以存在多孔硅的本发明的高度缺陷相。缺陷可以为“点缺陷”，例如间隙硅原子的双空位和簇；或“扩展缺陷”，例如位错和堆垛层错。根据介孔无定形硅指定的晶体相的量也可适用于其所得自的二氧化硅。

根据本发明第一或第二方面的还原可在约500℃至约700℃，例如500℃至700℃以下，例如约550℃至约650℃的反应物温度下进行。初始温度可设为约450℃至约550℃。可将温度保持在所需的范围内持续约1分钟至约8小时，例如约10至150分钟。可以为无定形二氧化硅或介孔无定形二氧化硅的二氧化硅的还原可在还原性气氛中进行。例如，还原可在惰性气氛中通过可蒸发的还原剂进行。二氧化硅可通过金属蒸气还原。可蒸发的还原剂或金属蒸气可包含以下金属中的一种或多种、或由以下金属中的一种或多种组成、或基本上由以下金属中的一种或多种组成：镁、铝或钙。有利的是，还原剂或金属蒸气为镁。