[發明專利]一種鋁還原制備納米硅的方法

在審

• 申請號: 201610025361.0
• 申請日: 2016-04-21
• 公開（公告）號: CN105692623A
• 公開（公告）日: 2016-06-22
• 發明（設計）人: 金小玉;金小六;金鑫;胡玉華;潘啟亮;趙建國
• 申請（專利權）人: 河南盛煌電力設備有限公司
• 主分類號: C01B33/023
• 分類號: C01B33/023;B82Y40/00
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明屬于納米硅的制備方法技術領域，具體涉及一種鋁還原制備納米硅的 方法。

背景技術

硅作為硅電子器件的主要原料，具有其它半導體材料無法比擬的優越性和 良好的應用前景，在未來的幾年甚至十幾年的時間內，都仍然將占據主流位置， 同時硅可以作為鋰離子電池的負極材料，傳統鋰離子電池一般都使用石墨負極， 但是該材料的性能已經達到頂峰。研究發現納米硅可能成為石墨替代品，其理 論比容量高達4000mAh/g，相當于在室溫下合成的Li₁₅Si₄，是下一代鋰離子電 池用負極材料。各種各樣的硅納米結構作負極材料都展示出了優良的電化學性 能，但是目前的制造成本高而影響其規模化生產應用。

目前制備納米硅采用的方法：(1)氣相法：等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD)(曹茂盛.超微顆粒制備科學與技術，1995，30，94)，激光誘導化學 氣相沉積(UCVD)(肖義明.激光合成陶瓷，1992)，激光燒蝕沉積(LICVD)(彭 英才.硅基納米微粒的激光燒蝕沉積及可見光發射特性，激光與紅外，2000， 30(2)：92-94)；氣相法的硅源為硅烷，硅烷具有高毒性、昂貴和可燃等特點， 并且用化學氣相沉積(CVD)法來制備納米硅，其所需的制造設備非常昂貴；(2) 金屬輔助化學蝕刻(MACE)法，該方法處理晶體硅晶片的方法已經被廣泛研究， 再利用模板和非模板方法就可用來制造高度可調硅納米材料。然而，電子級別 的晶片的制造成本相對較高，而用MACE法制造的納米硅材料的量仍然局限在毫 克水平；(3)脈沖激光液相沉積法。該方法在晶粒尺寸和密度分布的控制，最 佳實驗參數的組合，以及如何與硅平面工藝相兼容等方面仍存在很多問題，這 些問題的存在阻礙了硅納米材料的進一步實用化，而且該方法成本也非常高； (4)碳熱還原二氧化硅。該方法還原二氧化硅需要1500℃以上的溫度，但是硅 的熔點為1410℃，制備的硅粉極易熔化結塊，所以采用碳熱還原可以制備大塊 晶體硅，但制備納米硅不可行；(5)鎂熱還原二氧化硅。該方法是目前制備納 米硅材料的主要方法，工藝相對簡單，由于鎂粉價格較昂貴，且在后處理中與 鹽酸反應比較劇烈，會有爆炸危險，帶來安全隱患。

發明內容

本發明的目的為了克服現有技術的缺點，提供了一種工藝簡單、成本低、安 全性能高和適用于工業大規模生產的一種鋁還原制備納米硅的方法。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案，該方法包括如下步驟：

步驟一：室溫下，將鋁粉和SiO₂粉加入到球磨機中，研磨處理后，得到混合 粉末，將上述混合粉末置于剛玉舟中；

步驟二：將步驟一中所述裝有混合粉末的剛玉舟放置于高溫爐中，抽真空至 0.01MPa后在氬氣的保護下，3～5小時內升溫到反應溫度，并保持反應溫度一 定時間后，再自然冷卻至室溫，停止通氬氣，收集反應產物；

步驟三：向步驟二中所述的反應產物中加入稀鹽酸進行反應，除去未反應的 鋁和副產物氧化鋁后進行離心分離，離心分離后將沉淀物用去離子水洗滌2～4 次，經真空干燥，研細，收集產物；

步驟四：向步驟三中所述的產物內加入氫氟酸進行反應，除去未反應的SiO₂粉末后進行離心分離，離心分離后將沉淀物用去離子水洗滌2～4次，再經真空 干燥，研細，即制得納米硅粉產物。

所述步驟一中的鋁粉的粒徑為50～500目，SiO₂粉的粒徑為10～100nm。所 述步驟一中的鋁粉和SiO₂粉的摩爾比為1∶3～4∶1。所述步驟二中的反應溫度 700～1200℃，保持反應溫度一定時間為：0.5～12小時。所述步驟三中的稀鹽 酸的體積為：10～500mL，濃度為：0.1～6mol/L，反應時間為：0.5～24小時。 所述步驟四中所述氫氟酸的體積為：10～500mL，濃度為：1～25mol/L，反應 時間為：0.5～24小時。

本發明可規?；苽浼{米硅，優點在于：(1)所用原料成本低；(2)操作簡 單，無危險，可以大規模使用。采用掃描電子顯微鏡和X射線衍射表征了納米 硅的形貌和結構。結果表明，本發明方法與傳統的制備方法相比，具有工藝簡 單，成本低和安全性能高等優點，對大規模制備納米硅提供了可行的方法。

附圖說明

圖1是制備納米硅粉的外觀形貌圖；