[发明专利]一种低温制备纳米碳化硅的方法

说明书

本发明提出了一种低温制备纳米碳化硅的方法，该方法采用“双限域”过程，首先通过热解二氧化硅/聚合物的复合物制备二氧化硅/碳的复合物，然后将得到的复合物与金属镁或钙机械混合，在密闭的反应器内热处理，最后，用盐酸和氢氟酸依次清洗可得到纳米结构SiC。在这一合成路线中二氧化硅/碳复合物中的碳骨架提供第一限域效应，限制纳米SiC的长大，而密闭反应器提供第二限域效应，降低碳热还原的温度。该方法制备的纳米碳化硅具有大的比表面积和丰富的孔隙，可以作为载体负载金属银催化剂，以及用于锂离子电池负极材料。本发明提供的纳米碳化硅制备方法，工艺过程简单、便于实现规模化生产。

技术领域

本发明属于材料制备领域，涉及一种低温制备纳米碳化硅的方法。

背景技术

碳化硅(SiC)俗称金刚砂，是继第一代半导体材料和第二代化合物半导体材料发展起来的新型半导体材料，具有带隙宽(2.3eV-3.3eV)、热导率高、电子迁移率快等优点，因此非常适于制作高温、大功率和高密度集成的电子器件。此外，SiC还具有优异的化学稳定性、良好的机械性能和抗热震性，而使其成为苛刻条件下的过滤材料和催化剂载体的理想候选材料。纳米结构SiC性能优于传统的SiC粉体，能够达到更高技术领域的严格要求，在能源存储以及催化转化等领域有着更广泛的应用。碳热还原法制备SiC被认为使最成熟的合成方法，即在高温条件，用碳还原石英砂中的二氧化硅制得SiC，该方法反应温度较高，很难得到纳米结构SiC。对碳热还原法进行改进，研究者利用微波作为热源，以酚醛树脂和高纯的SiO₂纳米颗粒作为碳源和硅源，在较低温度和短时间内得到粒径为5-80nm、纯度为98％的纳米SiC。以该方法合成的纳米SiC材料主要以纳米晶须、纳米颗粒等形式存在，使用过程中易发生团聚，导致比表面积降低。化学气相沉积法也经常被用于纳米SiC的合成，该方法是在高于理论反应温度的条件下，使反应产物蒸气形成较高的过饱和蒸气压，导致其自动凝聚成晶核，而后聚集成颗粒。常用硅烷和烃类为原料，可合成纯度高、粒径为10-100nm的颗粒。然而该方法对原料纯度要求极高，得到产物粒度分布范围较广，且易团聚，产率也较低。所以，如何找到一种工艺简单、高收率、高纯度、粒径及结构可控的制备纳米SiC的方法仍然是一大挑战。

发明内容

本发明的目的是提供低温制备纳米SiC的制备方法，采用“双限域”(doubleconfinements)过程实现SiC结构的纳米化。首先通过热解二氧化硅/聚合物的复合物制备二氧化硅/碳的复合物，然后将得到的复合物与金属还原剂混合，在密闭的反应器内热处理，最后，用混合酸和去离子水依次清洗可得到纳米结构SiC。在这一合成路线中二氧化硅/碳复合物中的碳骨架提供第一限域效应，限制纳米SiC的长大，而密闭反应器提供第二限域效应，降低碳热还原的温度。

本发明的技术方案是：

一种低温制备纳米碳化硅的方法，包括步骤如下：

(1)采用聚合物以及纳米尺度二氧化硅作为原料，按聚合物与二氧化硅的质量比在1:5-0.5之间进行机械混合；

(2)将(1)制备的混合物在500-900℃内热解1-4h，生成二氧化硅/碳复合物；所述热解气氛为氩气或氮气，气流量为0.2-3 L/min，升温速率为1-10℃/min；

(3)将(2)得到的二氧化硅/碳复合物与金属还原剂进行机械混合，然后转移到密闭反应器中，随后进行热处理；热处理温度为400-750℃；得到碳热还原产物；

(4)将(3)碳热还原产物置于混合酸中，静置3-48h，后用去离子水洗涤，最后置于烘箱干燥，制得纳米碳化硅；所述混合酸为1:1-5体积比混合的氢氟酸与浓盐酸，混酸中氢离子浓度为0.1-1.0 M/L。

进一步地，(3)中热处理温度优选为400-650℃。

进一步地，上述(1)中所述的聚合物为碳含量在30wt％以上的聚合物。