[发明专利]一种纳米硅颗粒的制备方法

说明书

本发明属于纳米材料技术领域，更具体地，涉及一种纳米硅颗粒的制备方法。本发明针对一步镁热反应法制备纳米硅存在反应不可控，副产物多等问题，采取了更简单更环保的方法制备纳米硅，产率跟纯度大大提高。以金属镁粉为例，本发明将廉价的二氧化硅与镁粉反应生成硅化镁，然后只需要在保护气氛中再加入合适的二氧化硅到产物中直接加热便可以得到纳米硅，本发明涉及的所有方法过程简单可行，反应副产物少，安全系数高，产率比较高，没有污染性副产物，可以大规模推广，此外，分散性好的纳米硅可用于制造具有优异性能的锂离子电池。

技术领域

本发明属于纳米材料技术领域，更具体地，涉及一种纳米硅颗粒的制备方法。

背景技术

目前纳米硅材料的制备主要包括两种制备方法：物理法与化学法；物理法主要包括粉碎法、机械合金法、蒸发冷凝法等；化学法包括沉淀法、溶剂蒸发法、溶胶凝胶法。其中CVD方法与镁热还原法是最常见的方法。但是目前这些制备硅碳复合材料的方法，不仅条件苛刻、成本昂贵，步骤复杂，而且污染严重、涉及很多有毒物质、对人危害性较大。例如专利“多孔纳米硅化学电池及其制备方法”(CN201210109574.3)中，将硅衬底材料放入含氢氟酸的液体里进行电化学腐蚀，形成多孔纳米硅，此方法使用的氢氟酸腐蚀性极大，操作难度系数大。又如专利“一种纳米硅颗粒的制备方法及含有该纳米硅颗粒的负极材料及锂离子电池”(CN201110399792.0)中，纳米硅通过氢氟酸处理二氧化硅和硅的混合物得到，该方法涉及一种一氧化硅高温歧化反应，反应温度较高，耗能较大，要用到高腐蚀性的氢氟酸，污染大。以及文献中“Rice husks as a sustainable source of nanostructured siliconfor high performance Li-ion battery anodes”(Sci Rep.2013；3:1919)中，以生物质为原料经过一系列的处理过程得到纳米氧化硅颗粒，然后通过镁热还原反应将纳米氧化硅还原成纳米硅颗粒经过重复的酸洗过程得到纯度高的纳米颗粒。此方法设涉及一种危险的镁热反应，反应步骤过于繁琐，生产成本比较高，产率较低。此外专利“多孔纳米硅化学电池及其制备方法”(CN201210109574.3)中，将硅衬底材料放入含氢氟酸的液体里进行电化学腐蚀，形成多孔纳米硅，此方法使用的氢氟酸腐蚀性极大，操作难度系数大。又如专利“一种纳米硅颗粒的制备方法及含有该纳米硅颗粒的负极材料及锂离子电池”(CN201110399792.0)中，纳米硅通过氢氟酸处理二氧化硅跟硅的混合物得到，该方法涉及一种一氧化硅高温歧化反应，反应温度较高，耗能较大，要用的高腐蚀性的氢氟酸，污染大。

镁热还原二氧化硅制备纳米硅是上述方法中较为常见的纳米硅的制备方法，但是镁热法还原二氧化硅制备纳米硅存在反应不可控，具体表现为反应过程剧烈放热，导致产生的硅和氧化镁产物再次与原料发生反应，从而产生如硅化镁、硅酸镁等大量副产物，导致最终反应转化率和产率很低，同时产生的副产物不仅不好分离，而且硅化镁副产物在酸洗分离时还会产生爆炸性气体如硅烷，给实际纳米硅的生成尤其是大规模生成过程施工安全造成了潜在的威胁，因此镁热法不能用于大规模生产纳米硅。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种纳米硅颗粒的制备方法，其充分结合金属热还原法制备纳米硅的特点和需求，对金属粉还原二氧化硅制备纳米硅的反应路线进行重新设计，由原来的一步金属热还原法制备纳米硅改进为两步法制备纳米硅，通过控制反应条件使得金属粉与二氧化硅反应先生成硅化镁和氧化镁的中间产物，然后向中间产物中再次加入二氧化硅，此时二氧化硅和硅化镁发生氧化还原归一反应，得到纳米硅颗粒产物和氧化镁，相应地，该两步制备纳米硅的方法与现有技术的一步镁热法制备纳米硅相比，能够得到更高的转化率和纳米硅产率，反应条件可控，副产物少。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种纳米硅颗粒的制备方法，包括如下步骤：

(1)将二氧化硅与金属粉M混合后在惰性气氛下反应得到第一反应产物，所述第一反应产物含有硅和金属元素的化合物MxSi和金属氧化物；