一種製備海綿狀多孔矽材料的方法
2023-08-10 05:58:01
專利名稱：一種製備海綿狀多孔矽材料的方法
技術領域：
本發明涉及用於化學電池、傳感器、觸媒等領域材料的製備方法，尤其涉及一種製備海綿狀多孔矽材料的方法。
背景技術：
矽元素是地殼組成物的主要元素，大量而分布廣泛的存在於大自然中，是ー種與環境友好的元素。由於矽的化學特性，自然界中不以元素狀態存在而以各式各樣的矽酸鹽形式融合於巖石中。エ業上矽的氧化物廣泛的用於建材、陶瓷、玻璃與電子用品中，將矽的 氧化物還原成多晶矽，提純後的高純多晶矽是光伏與半導體產業最重要的原料。由於矽的化學與電子特性，以矽作為二次電池陽極為例子，其可以有極高的理論能量密度(4000 mAh/g),但作為鋰離子電池陽極時，由於離子插入時會產生極大的體積變化，如圖I所示的，容易破壞電極結構而減低循環密度與電極壽命。如果能夠將矽製造成海綿狀多孔矽，其多孔性吸收了體積變化的應力，可以解決電極結構不穩定問題。但現有技術中尚未出現海綿狀多孔矽材料的生產方式。海綿狀多孔矽材料除了有作為鋰離子電池陽潛力外，多孔矽材料由於其獨特物質特性，亦具備作為特殊傳感器或觸媒材料的潛力，因此，現有技術對於海綿狀多孔矽材料的生產方式與應用還有待於更進ー步的改進和發展。
發明內容
鑑於上述現有技術的不足，本發明的目的在於提供一種製備海綿狀多孔矽材料的方法，g在製備海綿狀多孔矽材料，為能源、半導體、傳感器等產業提供優良的基礎材料。本發明的技術方案如下
一種製備海綿狀多孔矽材料的方法，其包括以下步驟
A、純化硅藻土步驟將硅藻土用酸充分浸泡除去其中的水溶性雜質，將酸化後的硅藻土與硫酸銨充分混合後在空氣中充分煅燒，將煅燒後的硅藻土經過去離子水過濾除雜，烘乾後得到純化硅藻土；
B、硅藻土還原步驟將所述純化硅藻土與鹼族金屬或鹼土族金屬在惰性氣體環境下充分反應，將反應後的產物用鹽酸充分浸泡，然後過濾、水洗後烘乾得到高純度的海綿狀多孔矽材料。所述的製備方法，其中，所述步驟A具體的包括將所述硅藻土用硫酸、硝酸或鹽酸充分浸泡5-10個小時除去其中的水溶性雜質，所述硅藻土與硫酸、硝酸或鹽酸的質量比在 I :10-1:50 之間。所述的製備方法，其中，所述步驟A具體的包括將所述酸化後的硅藻土與硫酸銨在400°C _600°C條件煅燒2-4個小時，將煅燒後的硅藻土經過去離子水過濾除雜，在80°C -120°C條件下烘乾後得到所述純化硅藻土 ；所述硫酸銨與所述酸化後的硅藻土的質量比在 I :10-1 :50。
所述的製備方法，其中，所述步驟B具體的包括將所述純化硅藻土與所述鹼族金屬或所述鹼土族金屬在氬氣保護條件下以及600°C -800°C條件下充分反映4小時-6小時；所述純化硅藻土與鹼族金屬或鹼土族金屬的質量比在60 =48-60:130之間。所述的製備方法，其中，所述鹼族金屬為鈉或鉀，所述鹼土族金屬為鎂或鈣。所述的製備方法，其中，所述純化硅藻土與鈉的質量比在60:90-60:100之間，或所述純化硅藻土與鉀的質量比在60:110-60:130之間，或所述純化硅藻土與鎂的質量比在60:48-60:80之間，或所述純化硅藻土與鈣的質量比在60:80-60:100之間。所述的製備方法，其中，所述步驟B具體的包括將所述反應後的產物用所述鹽酸充分浸泡，然後過濾、水洗後，在80°C _120°C烘乾得到高純度的所述海綿狀多孔矽材料。本發明提供的一種製備海綿狀多孔矽材料的方法，採用純化硅藻土步驟與硅藻土還原步驟相結合的方式，從而得到高純度的海綿狀多孔矽材料，由於海綿狀多孔矽材料 具有特殊的結構與半導體特性，藉由不同元素參雜可以得到廣泛的電、磁與化學親合力，可以應用於能源、半導體、傳感器等產業，海綿狀多孔矽材料的孔形規則，布置均勻，在應用時可以大幅度減小其應カ，提聞海綿狀多孔娃材料的性能。
圖I為現有技術中鋰電池矽陽極放電的示意 圖2為海綿狀多孔矽在650°C的相 圖3為海綿狀多孔矽5000倍電子顯微鏡結構示意 圖4為海綿狀多孔矽XRD光譜示意 圖5為海綿狀多孔矽50000倍電子顯微鏡結構示意 圖6為海綿狀多孔矽高倍電子顯微鏡結構示意 圖7為本發明製備方法的流程示意圖。
具體實施例方式本發明提供一種製備海綿狀多孔矽材料的方法，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下對本發明進ー步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用幹限定本發明。本發明提供了一種製備海綿狀多孔矽材料的方法，如圖7所示的，其具體的包括以下步驟
步驟101 :將硅藻土用酸充分浸泡除去其中的水溶性雜質，將酸化後的硅藻土與硫酸銨充分混合後在空氣中充分煅燒，將煅燒後的硅藻土經過去離子水過濾除雜，烘乾後得到純化硅藻土；
步驟102 :將所述純化硅藻土與鹼族金屬或鹼土族金屬在惰性氣體環境下充分反應，將反應後的產物用鹽酸充分浸泡，然後過濾、水洗後烘乾得到高純度的海綿狀多孔矽材料。通過本發明的エ藝獲得海綿狀多孔矽材料，其孔形規則，布置均勻，在應用時可以大幅度減小其應力，可以應用於能源、半導體、傳感器等產業，拓展了其應用空間。在本發明的另ー較佳實施例中，所述步驟101具體的還包括將所述硅藻土用硫酸、硝酸或鹽酸充分浸泡5-10個小時除去其中的水溶性雜質，所述硅藻土與硫酸、硝酸或鹽酸的質量比在I :10-1:50之間。更進一歩的，所述步驟101具體的還包括將所述酸化後的硅藻土與硫酸銨在400°C _600°C條件煅燒2-4個小時，將煅燒後的硅藻土經過去離子水過濾除雜，在80°C -120°C條件下烘乾後得到所述純化硅藻土 ；所述硫酸銨與所述酸化後的硅藻土的質量比在 I :10-1 :50。在本發明的另ー較佳實施例中，所述步驟102具體的還包括將所述純化硅藻土與所述鹼族金屬或所述鹼土族金屬在氬氣保護條件下以及600°C _800°C條件下充分反映4小時-6小時；所述純化硅藻土與鹼族金屬或鹼土族金屬的質量比在60 =48-60:130之間。並且所述鹼族金屬為鈉或鉀，所述鹼土族金屬為鎂或鈣。更進ー步的，所述純化硅藻土與鈉的質量比在60:90-60:100之間，或所述純化硅藻土與鉀的質量比在60:110-60:130之間，或所述純化硅藻土與鎂的質量比在 60:48-60:80之間，或所述純化硅藻土與鈣的質量比在60:80-60:100之間。在本發明的另ー較佳實施例中，所述步驟102具體的還包括將所述反應後的產物用所述鹽酸充分浸泡，然後過濾、水洗後，在80°C -120°C烘乾得到高純度的所述海綿狀多孔矽材料。實施例I
純化硅藻土 將硅藻土( ニ氧化矽含量在80-90%之間)利用硫酸、硝酸或鹽酸浸泡5-10小時過濾去除水溶性雜質，再與硫酸銨以95- 98%比5%-2%的重量比混合均勻後在400 0C - 600 0C條件下，在空氣中煅燒2小時-4小吋，冷卻後與去離子水攪拌過濾去除水溶性雜質，在80 0C - 120°C條件下烘乾得到純化硅藻土。硅藻土還原將純化硅藻土與鈉、鉀、鎂或鈣以化學當量或高於化學當量25%的比率直接在保護性氣體氬氣中，在600 0C _800°C下高溫還原反應4小時-6小吋，的反應後產物利用鹽酸水溶液中和、浸除鈉、鉀、鎂或鈣的氯化物，過濾、水洗、在80°C _120°C條件下，烘乾後得到高純度的海綿狀多孔矽。如圖3、圖5與圖6所示的，高純度的海綿狀多孔矽材料在不同倍數顯微鏡下的具體結構，其孔形規則，布置均勻，在應用時可以大幅度減小其應力。如圖4所示的，為高純度的海綿狀多孔矽材料的XRD光譜圖，可以更進一步的顯示，本發明獲得的海綿狀多孔矽材料具有優良的性質。以鎂作為還原劑為例進行說明，硅藻土中的ニ氧化矽與鎂進行的主要反應如下
S i 0 2 ( s )+2 M g ( s )
其反應條件為在650°C下其反應為放熱反應，反應熱為DH (6500C ) = -312 KJ,自由能為DG° (650°C) = - 261KJ,如圖2所示，由於反應擴散度與化學比率關係有可能形成Mg2Si、Mg2Si04等雜相，但可以藉由控制化學當量比來控制產物。實施例2
純化硅藻土 將600克硅藻土( ニ氧化矽含量在80-90%之間)與12000克利用硫酸、硝酸或鹽酸浸泡5 - 10小時過濾去除水溶性雜質，其再與60克硫酸銨混合均勻後在4000C - 600°C條件下，在空氣中煅燒2小時-4小吋，冷卻後與去離子水攪拌過濾去除水溶性雜質，在80 V- 120°C條件下烘乾得到純化硅藻土。硅藻土還原將純化硅藻土與900克鈣直接在保護性氣體氬氣中，在600°C -800°c下高溫還原反應4小時-6小時，的反應後產物利用鹽酸水溶液中和、浸除鈉、鉀、鎂或鈣的氯化物，過濾、水洗、在80°C _120°C條件下，烘乾後得到高純度的海綿狀多孔矽。以鈣作為還原劑為例進行說明，硅藻土中的ニ氧化矽與鈣進行的主要反應如下
其反應條件為在650°C下其反應為放熱反應，由於反應擴散度與化學比率關係有可能形成Ca2Si、Ca2Si04等雜相，但可以藉由控制化學當量比來控制產物。由於本發明的製造過程相似，其區別僅為各個物質之間的比例不同，因此關於各個反應實例在此不在一一列舉，其具體的比例分別為硅藻土與酸的比例在I :10-1:50，其最佳比例為1:20 ;所述硫酸銨與所述酸化後的硅藻土的質量比在I :10-1 :50，其最佳比例為1:20 ;所述純化硅藻土與鹼族金屬或鹼土族金屬的質量比在60 :48-60:130之間，其更具體的為所述純化硅藻土與鈉的質量比在60:90-60:100之間，其最佳比例為60:92或60:98 ;所述純化硅藻土與鉀的質量比在60:110-60:130之間，其最佳比例為60:120或60:127. 5 ；所述純化硅藻土與鎂的質量比在60:48-60:80之間，其最佳比例為60:48. 6或60:54. 7 ;所述純化硅藻土與鈣的質量比在60:80-60:100之間，其最佳比例為60:80或60:90。為了得 到性能較好的海綿狀多孔矽材料，可以在上述比例範圍內進行調整。應當理解的是，本發明的應用不限於上述的舉例，對本領域普通技術人員來說，可以根據上述說明加以改進或變換，所有這些改進和變換都應屬於本發明所附權利要求的保護範圍。
權利要求
1.一種製備海綿狀多孔矽材料的方法，其包括以下步驟 A、純化硅藻土步驟將硅藻土用酸充分浸泡除去其中的水溶性雜質，將酸化後的硅藻土與硫酸銨充分混合後在空氣中充分煅燒，將煅燒後的硅藻土經過去離子水過濾除雜，烘乾後得到純化硅藻土； B、硅藻土還原步驟將所述純化硅藻土與鹼族金屬或鹼土族金屬在惰性氣體環境下充分反應，將反應後的產物用鹽酸充分浸泡，然後過濾、水洗後烘乾得到高純度的海綿狀多孔矽材料。
2.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟A具體的包括將所述硅藻土用硫酸、硝酸或鹽酸充分浸泡5-10個小時除去其中的水溶性雜質，所述硅藻土與硫酸、硝酸或鹽酸的質量比在I :10-1:50之間。
3.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟A具體的包括將所述酸化後的硅藻土與硫酸銨在400°C _600°C條件煅燒2-4個小時，將煅燒後的硅藻土經過去離子水過濾除雜，在80°C _120°C條件下烘乾後得到所述純化硅藻土 ；所述硫酸銨與所述酸化後的硅藻土的質量比在I :10-1 50o
4.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟B具體的包括將所述純化硅藻土與所述鹼族金屬或所述鹼土族金屬在氬氣保護條件下以及600°C -800°C條件下充分反映4小時-6小時；所述純化娃藻土與鹼族金屬或鹼土族金屬的質量比在60 48-60:130 之間。
5.根據權利要求4所述的製備方法，其特徵在於，所述鹼族金屬為鈉或鉀，所述鹼土族金屬為鎂或鈣。
6.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於，所述純化硅藻土與鈉的質量比在60:90-60:100之間，或所述純化硅藻土與鉀的質量比在60:110-60:130之間，或所述純化硅藻土與鎂的質量比在60:48-60:80之間，或所述純化硅藻土與鈣的質量比在60:80-60:100 之間。
7.根據權利要求I所述的製備方法，其特徵在於，所述步驟B具體的包括將所述反應後的產物用所述鹽酸充分浸泡，然後過濾、水洗後，在80°C _120°C烘乾得到高純度的所述海綿狀多孔矽材料。
全文摘要
本發明公開一種製備海綿狀多孔矽材料的方法，其純化硅藻土步驟為將硅藻土用酸充分浸泡除去其中的水溶性雜質，將酸化後的硅藻土與硫酸銨充分混合後在空氣中充分煅燒，將煅燒後的硅藻土經過去離子水過濾除雜，烘乾後得到純化硅藻土；硅藻土還原步驟將所述純化硅藻土與鹼族金屬或鹼土族金屬在惰性氣體環境下充分反應，將反應後的產物用鹽酸充分浸泡，然後過濾、水洗後烘乾得到高純度的海綿狀多孔矽材料。從而得到高純度的海綿狀多孔矽材料，可以應用於能源、半導體、傳感器等產業，海綿狀多孔矽材料的孔形規則，布置均勻，在應用時可以大幅度減小其應力，提高海綿狀多孔矽材料的性能。
文檔編號C01B33/023GK102765721SQ20121029583
公開日2012年11月7日 申請日期2012年8月20日 優先權日2012年8月20日
發明者吳以舜 申請人:白山市舜茂科技應用材料有限公司