[发明专利]硅烷合成三维多孔硅粉末的方法及其应用

说明书

本发明涉及一种以硅烷合成三维多孔硅粉末的方法及其应用，制备过程包括以下步骤：将大孔聚合物微球加入反应器中，并在反应器中通入惰性气体，实现气氛置换；向反应器中同时通入硅烷和惰性气体，并将反应器加热至400～900℃，恒温反应3～24h，反应接收后停止通入硅烷和惰性气体；立即向反应器中通入二氧化碳，将反应器加热至900～1500℃，恒温反应1～10h，然后停止加热，并随反应器冷却至室温，得到三维多孔硅粉末。与现有技术相比，本发明可通过对大孔聚合物的选择按需求制备出孔洞/孔隙结构不同的多孔硅粉末，且该多孔硅粉末为具有三维贯通孔洞/孔隙结构，材料结构稳定性强，使用二氧化碳作为模板去除剂，产物为一氧化碳可回收作燃料重复使用，环保清洁。

技术领域

本发明涉及属于多孔硅制备领域，尤其是涉及一种硅烷合成三维多孔硅粉末的方法及其应用。

背景技术

多孔硅是一种孔径由纳米到毫米级的新型多功能多孔材料，由于其独特物理、化学、光学性能和电化学性能，在敏感元件及传感器、照明材料、光电器件、生物分析、免疫检测、绝缘材料、集成电路(SOI)、太阳能电池和锂离子电池等领域有着广泛的应用，市场需求很大，尤其作为锂离子电池的负极材料近年来备受关注。

目前，传统石墨负极(理论比容量372mAh/g)已难以满足市场对电池能量密度增长的需求。硅储量丰富、价格低廉且理论储锂比容量高达4200mAh/g，有望成为锂离子电池新一代负极材料。然而，硅作为锂离子电池负极材料在脱嵌锂过程中伴随着巨大的体积膨胀，会引起电极材料开裂粉化，导致电池容量迅速衰减，此外硅的本征导电率低，难以实现锂离子和电子的快速运输，倍率性能差。多孔硅由于其多孔结构，预留了嵌锂膨胀空间，有利于缓冲充放电过程中因膨胀产生的应力，从而提高循环性能。

多孔硅的制备方法主要有湿法化学腐蚀法(金属辅助化学腐蚀法和镁热还原法)和电化学腐蚀法。文献报道可通过镁粉与SiO₂反应制备多孔硅颗粒(Kim,H.；Han,B.；Choo,J.；Cho,J.,Three-Dimensional Porous Silicon Particles for Use in High-Performance Lithium Secondary Batteries.Angewandte Chemie InternationalEdition 2008,47(52),10151-10154)，或通过AgNO₃和HF刻蚀制备多孔硅颗粒(Zhao,Y.，etal.,Hierarchical micro/nano porous silicon Li-ion battery anodes.ChemicalCommunications,2012,48(42):5079-5081)。专利CN1212989A公开了一种将硅粉在水热条件下通过氟离子腐蚀的方法制备多孔硅。专利US7514369提出了一种利用染色腐蚀法制备多孔硅粉末和纳米硅的方法。专利CN1974880A提出了一种采用氢氟酸-乙醇为腐蚀溶液的电化学方法制备多孔硅。专利CN1396315A、专利US2008/0166538和CN101249962A公开了通过氢氟酸和二甲基甲酞胺刻蚀的方法制备有序排列多孔硅的方法。专利CN102211770A公开了硅与卤代烃催化反应制备多孔硅材料的方法。CN1396316A分别公开了一种多孔硅的阴极还原和阳极氧化的表面处理技术制备多孔硅。然而，这些制备方法普遍存在原料成本高、制备工艺复杂、设备要求高、过程条件苛刻、污染严重(使用有毒且腐蚀性很强氢氟酸HF，制备过程中会产生大量的废水，废水的处理较困难，且在蚀刻过程中产生有剧毒的SiF₄气体)、使用贵金属催化剂(如金、银等)、批量生产困难等问题，或是性能不能满足商业需求，难以规模化生产。

因此，急需一种过程简单且清洁的制备方法来大量合成多孔硅粉末。目前我国硅烷的大规模工业化生产制备已经非常成熟，产量高且成本低。以硅烷为原料制备硅粉和硅棒等工艺已经十分成熟，行业竞争激烈。然而，由硅烷制备三维多孔硅粉末的研究与应用方面仍然处于探索初期阶段。

发明内容