[发明专利]一种纳米多孔硅的制备方法

说明书

技术领域

发明属于材料制备技术领域，特别涉及一种以工业硅粉为原料制备了纳米多孔硅的方法，通过利用工业硅粉、镁粉、金属氯化物熔盐和盐酸等原料，制备出了纳米多孔硅材料。

背景技术

纳米多孔硅具有比表面积高、渗透性好、低热导率、吸附性好、以及化学活性高等特点，使其在照明材料，太阳能电池，燃料电池，发光器件，传感器，医用材料，超级电容器和生物成像等方面的有着广泛的应用。对于多孔硅的制备主要有以下方法：(1)化学腐蚀法，是将硅浸入HF酸为主的腐蚀液中进行腐蚀制备多孔硅的方法。这种方法的优点在于操作简单方便，不需要外加任何辅助条件。缺点在于这种方法制备得到的多孔硅不仅孔洞不均匀，而且效率低，重复性差。(2)光化学腐蚀法，主要由化学腐蚀法演变而来，通过激光加速反应的进行，但这种方法的缺点是重复性差，成本较高。(3)水热法，在化学腐蚀法的基础上发展而来的制备多孔硅的新方法。利用水热反应的高温、高压，通过控制反应温度、时间以及腐蚀液浓度，实现不同孔径的多孔硅制备。(4)去合金化法，又称脱合金法，是指通过物理溶解或化学腐蚀将合金中的一种或多种组元选择性去除的一种方法，具有操作简单，通过调节前驱体的制备，可实现不同孔径多孔硅的制备。

本发明采用去合金化的方法，通过利用工业硅粉为原料制备了前驱体Mg₂Si-Mg合金，然后进行去合金化处理，制备出了一种纳米多孔硅材料，具有高的比表面积、孔径分布均匀的特点，同时可以提高工业硅粉的资源化利用以及产品的附加值。工艺基本路线包括：

硅粉、镁粉→前驱体Mg₂Si-Mg合金→去合金化处理→纳米多孔硅

TakeshiWada等利用硅粉、镁粉合成镁硅合金，然后利用Bi熔体，溶解掉其中的Mg原子，再用HNO₃溶液洗掉残余的Bi，从而得到的纳米多孔硅。并用作锂离子电池负极材料，在3.6A/g电流密度下，容量保持1000mAh/g左右，具有优异的性能。但气氛(He气)要求高，Bi熔体原料昂贵，对设备要求较高。(Bulk-Nanoporous-SiliconNegativeElectrodewithExtremelyHighCyclabilityforLithium-IonBatteriesPreparedUsingaTop-DownProcess.TakeshiWada,TetsuIchitsubo,KunioYubuta,HaruhikoSegawa,HirokazuYoshida,andHidemiKato.Nano,2014/7)

LiangbiaoWang等以Mg₂Si为原料，利用金属熔盐ZnCl₂为还原剂，得到了纳米硅颗粒，用作锂离子电池负极材料，在1.2A/g电流密度下，比容量保持1800mAh/g。(Siliconnanoparticlesobtainedviaalowtemperaturechemical“metathesis”synthesisrouteandtheirlithium-ionbatteryproperties.LiangbiaoWang,NingLin,JianbingZhou,YongchunZhuandYitaiQian.ChemCom2014/11)。

国内专利号CN102452653A介绍了一种硅化镁，特别涉及到硅化镁的生产方法和生产设备。在真空或者惰性气体保护下，将硅粉、镁粉混合，在搅拌、加热的条件下，制备出了纯度高、颗粒均匀的硅化镁。但其设备要求高，工艺流程长，操作过程繁琐。

国内专利号CN102517489A介绍了一种以工业粉尘硅粉为硅源、镁粉，在SF₆和CO₂混合气体保护下，制备了Mg₂Si-Mg合金材料。该方法简单易操作，成本低廉，所获得的材料性能优良。

国内专利号CN102237519A介绍了一种锂离子电池三维多孔硅粉负极材料无氟化制备方法。通过将硅粉、镁粉化合反应生成硅化镁，然后在高温下将硅化镁进行热解，形成镁蒸汽和具有三维多孔结构的硅粉。最后通过过筛获得颗粒均一多孔硅粉材料，并以葡萄糖为碳源，利用水热法制备了多孔硅/碳复合材料，提高了材料的比容量和循环稳定性。