[發明專利]一種空心多孔二氧化硅納米立方塊粒子及其制備方法

無效

• 申請號: 201310084158.7
• 申請日: 2013-03-15
• 公開（公告）號: CN103112863A
• 公開（公告）日: 2013-05-22
• 發明（設計）人: 陳乾旺;閆楠
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: C01B33/12
• 分類號: C01B33/12;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 安徽省合肥新安專利代理有限責任公司 34101
• 代理人: 汪祥虬

技術領域

本發明屬于二氧化硅納米材料制備技術領域，特別涉及空心多孔二氧化硅納米立方塊粒子及其制備方法。

背景技術

二氧化硅是一種在自然界中廣泛存在的物質。由于其化學性質穩定，易于可控合成，具有良好的生物相容性，并且成本低廉，因此在化工，電子工業，食品藥品行業等都有廣泛的應用。荷蘭《應用表面科學》雜志（AppliedSurfaceScience，2008年，第254卷，3774頁）報道了二氧化硅薄膜作為鋰離子電池負極材料的應用，其采用真空磁控濺射技術制備的厚400納米的二氧化硅薄膜具有539毫安時/克的初次放電量，循環100次以后仍有416mAhg^-1的放電量。荷蘭的《電化學通訊》雜志（Electrochem.Commun.，2008年，第10卷，1876頁）介紹了硬碳包覆納米二氧化硅粒子的制備和作為鋰離子電池負極材料的應用，該材料在15次充放電后仍有630mAhg^-1的放電量。英國《材料化學雜志》（J.Mater.Chem.，2011年，第21卷，13881頁）報道的二氧化硅空心納米球500次循環后放電量為334mAhg^-1，英國《能源與環境科學》雜志（EnergyEnviron.Sci.，2012年，第5卷，6895頁）報道的研磨石英250次循環后放電量為734mAhg^-1。但由于充放電過程中存在體積膨脹和生成不可逆硅酸鋰鹽的緣故，這些材料的放電量與二氧化硅的理論容量1965mAhg^-1還有很大差距。而空心多孔納米材料由于有著獨特的空心多孔結構，可以有效緩解充放電過程中電極材料的體積膨脹效應，且可縮短鋰離子在電極中的遷移路徑，提高鋰離子遷移速率，提高電極的充放電穩定性。因此，需要設計新的簡易高效的合成空心多孔二氧化硅納米粒子的方法來制備具有優異充放電性能的二氧化硅納米粒子。

發明內容

本發明的目的是提出一種空心多孔二氧化硅納米立方塊粒子及其制備方法，以克服現有技術的上述缺陷，緩解充放電過程中電極材料的體積膨脹效應，提高充放電容量，從而應用于電化學儲能方面。

本發明的空心多孔二氧化硅納米立方塊粒子的制備方法，其特征在于：將10mL含有18mg乙酸鈷(Co(CH₃COO)₂)的水溶液緩慢滴加到10mL含有17mg鈷氰酸鉀（K₃[Co(CN)₆]）和0.3g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）的水溶液中，攪拌后靜置不少于1小時，離心分離得到鈷氰酸鈷；取50-70mg該制得的鈷氰酸鈷和0.3-0.4mL正硅酸四乙酯分散在30mL乙醇中，攪拌分散后滴入4-6mL質量濃度為28%的氨水，然后將該混合溶液置于30-45℃的水浴鍋中保溫不少于4小時，反應結束后離心分離得到二氧化硅包覆的鈷氰酸鈷納米粒子；將上述粒子干燥后在400-600℃煅燒不少于1小時，得到二氧化硅包覆的四氧化三鈷納米粒子；取30-50mg該四氧化三鈷納米粒子，分散在30mL濃度為3-5molL^-1的鹽酸溶液中，置于聚四氟乙烯內襯的反應釜中，在100-160℃反應不少于6小時，反應結束后將產物離心分離，得到空心多孔二氧化硅納米立方塊粒子。

采用上述方法制備得到的空心多孔二氧化硅納米立方塊粒子，其粒徑在150nm，殼層厚度為20nm，外形為立方塊的形狀，內部為空心結構，且表面分布著不規則裂縫。

與現有技術相比，本發明的優點在于：

本發明方法采取了以二氧化硅包覆在模板外，再除去模板得到空心多孔二氧化硅納米立方塊粒子，通過包覆——蝕刻法制備空心多孔二氧化硅納米塊，由于作為前軀體的鈷氰酸鈷納米粒子具有均一的形貌，因此可以得到同樣形貌均一的空心二氧化硅納米立方塊粒子。同時，由于在蝕刻的過程中有煅燒和水熱處理的步驟，這樣可以在空心二氧化硅表面形成不規則裂縫，使二氧化硅納米塊變成多孔結構。而目前現有的制備多孔二氧化硅納米粒子的工藝很難得到這樣的結構。

采用本發明方法得到的空心多孔二氧化硅納米塊粒子，由于具有獨特的空心多孔結構，可以有效的緩解充放電過程中電極材料的體積膨脹效應，提高電極的循環穩定性，同時由于具有較大的比表面，縮短了鋰離子在電極中的遷移路徑，提高鋰離子遷移速率，使得二氧化硅納米立方塊粒子具有優異的充放電性能。

附圖說明

圖1是實施例1中空心多孔二氧化硅納米立方塊粒子的X射線衍射圖；

圖2是實施例1中空心多孔二氧化硅納米立方塊粒子的紅外光譜圖；