一種三維納米多孔矽的製備裝置及製備系統的製作方法
2023-05-08 02:33:56
本發明涉及納米多孔矽材料的製備領域，具體而言，涉及一種三維納米多孔矽的製備裝置及製備系統。
背景技術：
三維納米結構具有獨特的介電特性、光電特性、微電子相容性以及大的比表面積，使其在敏感元件、傳感器、照明材料、光電器件、集成電路、太陽能電池和鋰電池領域廣泛應用。近年來，由於三維納米結構材料在鋰電池負極材料上的優良表現，國內外很多知名專家和研究機構開始進行基於矽顆粒的三維納米結構的研發工作，研究成果顯示基體材料矽顆粒主要來自於金屬冶金矽、晶體矽、矽鋁合金以及天然含矽材料，矽顆粒作為基體材料製備納米多孔矽的方法主要是採用不同形式的化學腐蝕。實驗結果顯示，各方法製備的三維納米結構在鋰電池上均有優異的性能表現，顯示了三維納米材料良好的結構特性。
但是目前製備出的三維納米結構也存在一定的問題。首先，矽顆粒的導電性不佳。作為鋰電池負極材料時，後期為提高導電性，對三維納米多孔矽還需要進行摻雜或包碳處理，增加了工藝難度和成本；其次，三維納米多孔矽的結構不均勻。隨著矽顆粒尺寸的減少，化學腐蝕過程中顆粒間腐蝕不均勻，特別是孔洞深度腐蝕有限，對於材料的性能有很大影響；再次，目前三維納米多孔矽的製備方法產量低，成本高。
技術實現要素：
本發明提供了一種三維納米多孔矽的製備裝置，旨在改善現有的三維納米多孔矽的製備裝置操作複雜、產率低，製得的三維納米多孔矽表面孔洞分布不均勻，孔徑尺寸相差較大的問題。
本發明還提供了一種三維納米多孔矽的製備系統，其製備三維納米多孔矽的產率高，性能好。
本發明是這樣實現的：
一種三維納米多孔矽的製備裝置，包括底座、激波發生器、激波電源、工作液槽、化學刻蝕反應容器以及溫度計，激波發生器設置於底座的頂部，工作液槽設置於激波發生器的頂部，化學刻蝕反應容器通過夾持裝置設置於工作液槽內，溫度計設置於化學刻蝕反應容器內，工作液槽內設置有加熱元件，激波電源設置於底座的側壁，激波發生器的電路和加熱元件的電路均與激波電源的電路連接。
進一步地，在本發明較佳的實施例中，夾持裝置包括相互連接的立杆和夾件，立杆固定連接於底座，夾件夾設於化學刻蝕反應容器的外壁。
進一步地，在本發明較佳的實施例中，夾持裝置還包括升降杆、升降機，立杆中空且側壁沿長度方向開設有條狀開口，升降杆設置於立杆內，升降機設置於底座內，升降杆的底端與升降機連接，夾件遠離化學刻蝕反應容器的一端穿過條狀開口與升降杆連接。
進一步地，在本發明較佳的實施例中，夾持裝置還包括橫杆，橫杆連接於立杆遠離底座的一端，溫度計遠離化學刻蝕反應容器的一端與橫杆連接。
進一步地，在本發明較佳的實施例中，還包括抽吸泵，化學刻蝕反應容器的底部設置有過濾器，過濾器與化學刻蝕反應容器的底壁之間形成一個出液腔，化學刻蝕反應器對應出液腔的側壁開設有出液孔，出液孔與抽吸泵連通。
進一步地，在本發明較佳的實施例中，過濾器包括過濾膜和過濾器主體，過濾膜的邊緣與過濾器主體可拆卸連接，過濾器主體與化學刻蝕反應容器的內壁可拆卸連接。
進一步地，在本發明較佳的實施例中，化學刻蝕反應容器的內壁設置有用於放置過濾器主體的環形凸起，且過濾器主體與環形凸起之間設置有第一密封墊。
進一步地，在本發明較佳的實施例中，過濾器主體包括相互扣接的支撐網和扣合件，過濾膜夾設於支撐網和扣合件之間。
進一步地，在本發明較佳的實施例中，支撐網靠近扣合件的一側設置有第二密封墊，扣合件靠近支撐網的一側設置有第三密封墊。
一種三維納米多孔矽的製備系統，包括上述的三維納米多孔矽的製備裝置。
本發明的有益效果是：本發明通過上述設計得到的三維納米多孔矽的製備裝置，本發明提供的三維納米多孔矽的製備裝置因其具有激波發生器，能夠在三維納米多孔矽的製備過程中對矽顆粒進行激波輔助一方面保證矽顆粒良好分散並誘導刻蝕溶液中金屬粒子均勻沉積，實現在腐蝕過程中矽顆粒表面孔洞均勻分布；另一方面激波促使腐蝕產物能及時從孔洞排除，新鮮腐蝕液能迅速得到補充，能實現孔洞的高效、高精度刻蝕，使得最終製得的三維納米多孔矽的孔徑尺寸均勻，且該裝置構造簡單操作方便。本發明提供的三維納米多孔矽的製備系統，因其包括上述的三維納米多孔矽的製備裝置，使得採用此系統製得的三維納米多孔矽產率高，且三維納米多孔矽顆粒的孔洞分布均勻，孔徑尺寸均勻。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明實施方式的技術方案，下面將對實施方式中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對範圍的限定，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。
圖1是本發明實施方式提供的三維納米多孔矽的製備裝置的結構示意圖；
圖2是圖1中化學刻蝕反應容器的結構示意圖；
圖3是圖2中Ⅲ區域的放大圖；
圖4是圖2中過濾器的仰視圖；
圖5是圖2中過濾器的俯視圖；
圖6是本發明實施方式提供的三維納米多孔矽的製備方法的操作流程圖。
圖標：100-三維納米多孔矽的製備裝置；110-激波發生器；120-激波電源；121-時間控制器；130-工作液槽；131-加熱元件；140-化學刻蝕反應容器；141-出液腔；142-出液孔；143-環形凸起；145-第一密封墊；150-溫度計；160-夾持裝置；161-立杆；162-夾件；163-升降杆；164-升降機；165-條狀開口；166-橫杆；170-過濾器；171-過濾膜；172-過濾器主體；173-支撐網；174-扣合件；175-網孔；176-連接柱；177-連接孔；178-第二密封墊；179-第三密封墊；180-抽吸泵；181-抽吸管；190-底座。
具體實施方式
為使本發明實施方式的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施方式中的附圖，對本發明實施方式中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施方式是本發明一部分實施方式，而不是全部的實施方式。基於本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬於本發明保護的範圍。因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施方式的詳細描述並非旨在限制要求保護的本發明的範圍，而是僅僅表示本發明的選定實施方式。基於本發明中的實施方式，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施方式，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要理解的是，術語「上」、「下」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的設備或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
此外，術語「第一」、「第二」僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」的特徵可以明示或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本發明的描述中，「多個」的含義是兩個或兩個以上，除非另有明確具體的限定。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」、「固定」等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關係。對於本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特徵在第二特徵之「上」或之「下」可以包括第一和第二特徵直接接觸，也可以包括第一和第二特徵不是直接接觸而是通過它們之間的另外的特徵接觸。而且，第一特徵在第二特徵「之上」、「上方」和「上面」包括第一特徵在第二特徵正上方和斜上方，或僅僅表示第一特徵水平高度高於第二特徵。第一特徵在第二特徵「之下」、「下方」和「下面」包括第一特徵在第二特徵正下方和斜下方，或僅僅表示第一特徵水平高度小於第二特徵。
如圖1所示，本發明提供的一種三維納米多孔矽的製備裝置100包括底座190、激波發生器110、激波電源120、工作液槽130、化學刻蝕反應容器140、夾持裝置160以及溫度計150。激波發生器110設置於底座190之上，工作液槽130設置於激波發生器110之上，化學刻蝕反應容器140通過夾持裝置160設置於工作液槽130內，溫度計150設置於刻蝕反應容器內，工作液槽130內設置有加熱元件131，激波電源120設置於底座190的側壁，激波發生器110和加熱元件131均與激波電源120電路連接。激波發生器110用於對化學刻蝕過程進行激波輔助。
優選地，三維納米多孔矽的製備裝置100還包括時間控制器121，時間控制器121頁設置於底座190的側壁，時間控制器121的電路與激波電源120的電路連接。設置時間控制器121的目的是可通過在時間控制器121上設定時間以控制激波發生器110的電路與激波電源120的電路的連接與斷開，進而控制激波發生器110對化學刻蝕的激波輔助時間，能夠有效節省操作人員的時間。
工作液槽130內注入水，通過加熱元件131對水進行加熱，進而使得化學刻蝕反應容器140得到加熱，化學刻蝕反應容器140內盛放化學刻蝕液，化學刻蝕反應容器140由玻璃或者耐腐蝕材料製成，將矽顆粒與刻蝕液或者清洗液放入化學刻蝕反應容器140，在水浴加熱的條件下進行三維納米多孔矽刻蝕反應。
時間控制器121能夠控制激波電源120與激波發生器110電路的連通與斷開，通過在時間控制器121上設定激波電源120與激波發生器110的電路的接通與斷開的時間，來控制激波發生器110發射激波的時間長短，以達到智能化的效果，不需人為計時，有效節省工作人員的工作時間。
優選地，夾持裝置160包括相互連接的立杆161和夾件162，立杆161的一端固定連接於底座190之上，夾件162夾設於化學刻蝕反應容器140的外壁。夾件162與化學刻蝕反應容器140的連接方式可使化學刻蝕反應容器140易於拆卸進而易於更換其內的刻蝕液或者清洗液。
需要指出的是，在本發明的其他實施例中，夾持裝置160可以是具有兩個夾合部的夾持件，兩個夾合部分別同時夾設於工作液槽130的側壁和化學刻蝕反應容器140的側壁上，以將化學刻蝕反應容器140設置於工作液槽130內。
優選地，夾持裝置160還包括升降杆163，立杆161中空，立杆161的側壁設置有豎直的條狀開口165，側壁升降杆163設置於立杆161中，底座190內設置有升降機164，升降杆163的一端與升降機164連接，夾件162穿過條狀開口165與升降杆163遠離底座190的一端連接，夾件162遠離升降杆163的一端夾設於化學刻蝕反應容器140的外壁，升降機164的電路與激波電源120的電路連接，升降機164控制升降杆163的升降和在水平面的轉動進而通過夾件162帶動化學刻蝕反應容器140的升降和在水平面上的轉動。
優選地，夾持裝置160還包括橫杆166立杆161，遠離底座190的一端與橫杆166轉動連接，橫杆166遠離立杆161的端部與溫度計150可拆卸連接。當三維納米多孔矽的製備裝置100工作結束後，需要將化學刻蝕反應容器140取出時，首先，拆下溫度計150，將橫杆166轉動至離開化學刻蝕反應容器140的正上方，使升降杆163上升，帶動化學刻蝕反應容器140上升，再將化學刻蝕反應容器140直接從夾件162上拆下。
需要指出的是，在本發明的其他實施例中，溫度計150可以是通過夾持件直接夾設於化學刻蝕反應容器140的側壁。
如圖1和圖2所示，優選地，三維納米多孔矽的製備裝置100還包括抽吸泵180,化學刻蝕反應容器140的底部設置有過濾器170，過濾器170與化學刻蝕反應容器140的底壁之間形成一個出液腔141，出液腔141對應化學刻蝕反應容器140的側壁開設有出液孔142，抽吸泵180通過出液孔142與出液腔141連通。通過抽吸泵180的抽吸力將化學刻蝕反應容器140內的矽顆粒進行抽濾，矽顆粒被留在過濾器170之上，而排出液則從過濾器170進入出液腔141最終被抽吸泵180抽出。
如圖1-圖3所示，優選地，過濾器170包括過濾膜171和過濾器主體172，過濾膜171的邊緣可拆卸設置於過濾器主體172內，而過濾器主體172可拆卸設置於化學刻蝕反應容器140的側壁，過濾膜171的孔徑小於矽顆粒的粒徑，為防止過濾膜171在抽吸過程中易損壞，也可以在過濾器主體172上設置多層過濾膜171。化學刻蝕反應容器140的側壁設置有用於放置過濾器170的環形凸起143，過濾器主體172與環形凸起143之間設置有第一密封墊145。設置第一密封墊145的目的是保證出液腔141的密封性。
如圖3-圖5所示，進一步地，過濾器主體172包括支撐網173和扣合件174，過濾膜171夾設於扣合件174與支撐網173之間，支撐網173上設置有多個網孔175，排出液則透過過濾膜171通過網孔175被排出。設置支撐網173的目的是防止過濾膜171在抽吸過程中被抽吸力損壞。支撐網173上設置有多個連接孔177，扣合件174上設置有與多個連接孔177相對應的多個連接柱176，一個連接柱176穿透過濾膜171插設於一個連接孔177內以實現扣合件174與支撐網173的可拆卸連接。進一步地，支撐網173靠近扣合件174的一側設置有第二密封墊178，第二密封墊178上設置有與連接柱176配合的通孔；扣合件174靠近支撐網173的一側設置有第三密封墊179，第三密封墊179上也設置有與連接柱176配合的通孔，連接柱176先穿過第二密封墊178上的通孔，再穿透過濾膜171，然後穿過第三密封墊179上的通孔最後插設於連接孔177內。
設置第二密封墊178和設置第三密封墊179的目的是為了進一步保證出液腔141的密封性，使得抽吸泵180在對化學刻蝕反應容器140進行抽吸時不會把矽顆粒與排出液一同抽吸而流失。
需要說明的是，本發明在不包括抽吸泵180和過濾器170的情況下，由於三維納米多孔矽的製備裝置100包括激波發生器110同樣能達到本發明採用激波輔助的方式對矽顆粒進行化學刻蝕的目的。
參見圖6，並同時參見圖1-圖5，以下對三維納米多孔矽的製備裝置100的具體工作過程做詳細介紹：
S1、將採用氫氟酸清洗後的矽顆粒放入化學刻蝕液中進行化學刻蝕,並在化學刻蝕的過程中施加激波輔助。
具體的，首先，稱取適量矽顆粒，並將矽顆粒放入容器中用採用氫氟酸進行清洗，使得矽顆粒表面的雜質能夠被洗淨，在清洗過程中可不斷攪拌使得矽顆粒能夠被清洗得更充分。將氫氟酸清洗後的矽顆粒放入盛有化學刻蝕液的化學刻蝕反應容器140中，並將水注入工作液槽130中。打開激波電源120，激波發生器110產生激波並對化學刻蝕過程施加激波輔助，同時通過激波電源120控制激波發生器110的脈衝寬度及工作時間。打開激波電源120的同時在激波電源120上設定好反應所需的水浴溫度，以保證化學刻蝕過程的溫度變化不超過10攝氏度。在時間控制器121上設定好激波輔助時間以及間隔時間。在本發明的其他實施例中，若三維納米多孔矽的製備裝置100中未設置有時間控制裝置，還可採用人工計時的方式控制激波輔助時間。
該設計利用激波脈衝寬度小、壓力峰值大、高能、瞬時和能量可控等特點，一方面保證矽顆粒良好分散並誘導刻蝕溶液中金屬粒子均勻沉積，實現在腐蝕過程中矽顆粒表面孔洞均勻分布；另一方面激波促使腐蝕產物能及時從孔洞排除，新鮮腐蝕液能迅速得到補充，能實現孔洞的高效、高精度刻蝕。
在本發明的實施例中，化學刻蝕液可以是包括含硝酸根離子5-40mmol/L的硝酸鹽、2-8mol/L的氫氟酸以及比重1～5wt％的雙氧水，硝酸鹽包括硝酸銀、硝酸鐵以及硝酸銅中的至少一種，由於採用硝酸銀使得反應更穩定，該化學刻蝕液成分中優選硝酸銀。該化學刻蝕液的成分及配比能夠更高效地對矽顆粒進行刻蝕。配製化學刻蝕液可以是同時將硝酸鹽溶液、氫氟酸和雙氧水同時混合進行配製，也可以是先將硝酸鹽與氫氟酸進行混合反應，然後再將氫氟酸和雙氧水進行混合反應，最後將兩部反應所得混合液進行混合製成化學刻蝕液。
S2、將經過化學刻蝕後的所述矽顆粒依次通過稀硝酸和去離子水進行清洗。
具體地，待化學刻蝕過程結束後，啟動抽吸泵180，將化學刻蝕液抽吸至出液腔141內，由抽吸泵180通過抽吸管181抽出，待化學刻蝕液被抽盡時，向化學刻蝕反應容器140中加入質量濃度為10％-20％的稀硝酸以洗去矽顆粒表面的金屬離子，稀硝酸清洗完成後通過抽吸泵180對化學刻蝕反應容器140進行抽吸，以將稀硝酸排出。稀硝酸完全排出後，向化學刻蝕反應容器140中加入去離子水，對矽顆粒再次進行清洗，以去除矽顆粒表面殘存的稀硝酸，待再次清洗完成後，採用抽吸泵180將去離子水抽出，去離子水清洗次數為3-5次。在某一清洗過程結束後可以根據過濾膜171的韌性選擇是否更換過濾膜171。
需要指出的是，本發明的其他實施例中，若採用未設置有過濾器及抽吸泵的裝置進行三維納米多孔矽的製備，其化學刻蝕液、稀硝酸以及去離子水的排出可以是將用於化學刻蝕反應的容器從反應裝置上取出，再採用離心機將矽顆粒提取出來。但此方式相較於採用設置有抽吸泵180和過濾器170的三維納米多孔矽的製備裝置100的方式操作更複雜。
S3、將清洗後的矽顆粒進行離心提取。
具體地，將清洗後的矽顆粒取出，放置於離心機中，進行離心提取，離心提取結束後將矽顆粒取出。
將採用三維納米多孔矽的製備裝置100製得的三維納米多孔矽顆粒置於掃描電鏡下觀察，其孔洞分布均勻，孔徑尺寸均勻。
綜上所述，本發明提供的三維納米多孔矽的製備裝置因其具有激波發生器，能夠在三維納米多孔矽的製備過程中對矽顆粒進行激波輔助，一方面保證矽顆粒良好分散並誘導刻蝕溶液中金屬粒子均勻沉積，實現在腐蝕過程中矽顆粒表面孔洞均勻分布；另一方面激波促使腐蝕產物能及時從孔洞排除，新鮮腐蝕液能迅速得到補充，能實現孔洞的高效、高精度刻蝕，使得最終製得的三維納米多孔矽的孔徑分布均勻，且三維納米多孔矽的製備裝置構造簡單操作方便。而設置過濾器與抽吸泵，能夠使得各個清洗步驟更加方便。
本發明提供的三維納米多孔矽的製備系統因其包括上述的三維納米多孔矽的製備裝置，使得該系統能夠高效且高質地製得三維納米多孔矽。
以上所述僅為本發明的優選實施方式而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。