[發(fā)明專利]一種制備非晶二氧化硅納米管的方法

有效

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• 申請日: 2014-07-24
• 公開（公告）號: CN104108719A
• 公開（公告）日: 2014-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武立立;張喜田;孫道彬;啜慧心
• 申請（專利權(quán)）人: 黑龍江科技大學(xué)
• 主分類號: C01B33/12
• 分類號: C01B33/12;B82Y40/00;B82Y30/00
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

二氧化硅納米管因在儲氫、復(fù)合增強(qiáng)、生化醫(yī)療等方面的重要應(yīng)用成為目前材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。二氧化硅納米管具有較好的絕緣性能、較低的熱膨脹系數(shù)及高熱導(dǎo)等優(yōu)點(diǎn)，而且粒徑小，比表面積大，表面吸附力強(qiáng)，表面能大，化學(xué)純度高、分散性能好、無毒、無味、無污染，是最具研究價(jià)值的納米材料之一。

制備二氧化硅納米管的方法有很多，模板法是目前普遍使用的方法。其中，軟模板法是利用有機(jī)酸、表面活性劑等在特定條件下形成納米結(jié)構(gòu)模板，通過結(jié)合氫鍵、范德華力、靜電力等微作用力，使其表面形成二氧化硅納米管的一種方法。然而，這種方法需在特定條件下完成，條件控制難度較大，易受如電解質(zhì)、溫度等因素的影響，破壞軟模板體系，具有結(jié)構(gòu)不可控性，重現(xiàn)性差等問題。

以表面活性劑為例，其形成所需尺寸膠束的條件比較難于控制，穩(wěn)定性差，往往得不到設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的納米管。硬模板是自身具有納米結(jié)構(gòu)的材料，比如碳納米管、多孔氧化鋁、硅納米線等。雖然硬模板法相對軟模板法成本較高，但可以大量合成性質(zhì)優(yōu)異的二氧化硅納米管。如已有人采用三氧化二鋁(Al₂O₃)、氧化鋅(ZnO)、硫化鎘(CdS)、氧化釩水合物(V₃O₇·H₂O)、銻化鎘(Sb₂Te₃)納米纖維(線、陣列)等作為模板，合成了二氧化硅納米管。這些合成過程通常包括模板的制備、二氧化硅納米管的包覆以及模板的去除三個(gè)步驟，而且多在液相中完成，涉及攪拌、抽濾、清洗、酸腐蝕等諸多工序，工藝非常煩瑣，耗時(shí)久，用過廢液的處理費(fèi)用高且容易造成環(huán)境污染。

例如，Zygmunt小組(Adv.Mater.，15，1538-1541)制備二氧化硅納米管的過程中，僅V₃O₇·H₂O模板的加熱就需要1-2天時(shí)間，干燥需要整夜，模板的去除攪拌需要48小時(shí)，此外各過程間還需很多次的過濾和清洗，人力和物力消耗非常之大。

Zhai小組(J.Phys.Chem.C，111，11604-11611)制備二氧化硅納米管的過程中，硒化鎘(CdSe)模板的制備不但耗時(shí)長、工序繁瑣，而且用到的CdSe是無機(jī)劇毒品，甲苯對皮膚、粘膜有刺激性，對中樞神經(jīng)系統(tǒng)有麻醉作用。

畢見強(qiáng)(山東大學(xué)CN?102583398B)小組制備二氧化硅納米管的過程雖然不需要合成模板，但除去升溫和冷卻的時(shí)間耗時(shí)仍需20-34小時(shí)，而且用到具有強(qiáng)腐蝕和揮發(fā)性的鹽酸進(jìn)行產(chǎn)物清洗。若工作人員不慎接觸到，可引起急性中毒：出現(xiàn)眼結(jié)膜炎，鼻及口腔粘膜有燒灼感，鼻出血、齒齦出血，氣管炎、人體灼傷等；長期接觸，可引起慢性鼻炎、慢性支氣管炎、牙齒酸蝕癥及皮膚損害。清洗廢液處理不當(dāng)會對水體和土壤造成污染，嚴(yán)重破壞生態(tài)環(huán)境。從畢見強(qiáng)小組合成產(chǎn)物的透射電鏡圖來看，合成的二氧化硅納米管多為彎曲狀，而且碳納米管模板去除不干凈，管壁上的殘留物在電鏡圖中隨處可見，納米管均一性不好。因此，尋求更為簡單易行、環(huán)境友好的二氧化硅納米管的低成本合成方法是很有必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了實(shí)現(xiàn)了非晶二氧化硅納米管的少耗時(shí)、少污染的低成本制備，從而提供一種制備非晶二氧化硅納米管的方法。

一種制備非晶二氧化硅納米管的方法，它由以下步驟實(shí)現(xiàn)：

步驟一、將單晶硅片襯底清洗干凈并烘干，利用離子濺射儀在硅片表面濺射一層厚度為2nm～6nm的金膜作為催化劑，為納米材料的生長提供成核點(diǎn)；

步驟二、將承載硫化鋅粉末和硅襯底的剛玉舟放到水平管式爐中，使硫化鋅位于水平管式爐的高溫區(qū)中心，硅襯底處于硫化鋅下游10cm～30cm的位置，密封管式爐，通入高純惰性氣體作為載氣，沖洗掉生長室內(nèi)的殘余空氣；

步驟三、將惰性氣體流速控制在30sccm～300sccm，生長室內(nèi)壓強(qiáng)保持在80Pa～1000Pa，使管式爐升溫至合成溫度1100℃～1200℃，并保持恒溫0.2～1小時(shí)，反應(yīng)結(jié)束后使管式爐自然冷卻至室溫，取出合成產(chǎn)物即為本發(fā)明的二氧化硅納米管。