[發明專利]一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質硅粉末的方法

有效

• 申請號: 201610098278.6
• 申請日: 2016-02-23
• 公開（公告）號: CN105800615B
• 公開（公告）日: 2017-11-14
• 發明（設計）人: 高錢;敖薩仁;胡宏宇;羅宇峰;唐宇洋;崔婷;劉丹
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: C01B33/023
• 分類號: C01B33/023
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司22201
• 代理人: 杜森垚

技術領域

本發明涉及一種單質硅粉末的制備方法，具體是一種以天然硅鋁酸鹽礦物為原料，利用金屬熱還原制備多孔單質硅粉末的方法。

背景技術

單質硅材料以其獨特的海綿狀的孔道結構，特殊的導電性能，較大的比表面積，較高的壓阻系數，特殊的光致發光現象，使得其在傳感，微電子，微光學，燃料電池以及光電材料應用方面有著自己的一席之地。同時多孔硅材料擁有著良好的生物降解性及生物相容性，使得其作為藥物緩釋劑載體和生物傳感器等藥用材料方面也有獨特的貢獻。這些優點使單質硅成為了廣大研究人員競相研究的對象。一直以來制備單質硅主要方法為電化學腐蝕法，但由于其制備工藝繁瑣、造價昂貴、副產物的環境污染嚴重等問題，同時得到的產物多以薄膜形式存在且孔結構均勻性較差，因此開發新型、簡便、易于操作的多孔硅粉末制備方法成為亟待解決的問題之一。

以鎂熱法為代表的金屬熱還原法是近年來出現的一種新型制備多孔硅材料的方法，由于其工藝流程簡單，造價低廉，副產物便于處理，得到的多孔硅材料均一性較好等優點，因而得到了廣泛關注。鎂熱法制備多孔硅多采用SiO₂質的天然礦物，例如硅藻土和蛋白石等，或人工合成的SiO₂分子篩為模板。硅酸鹽礦物在自然界分布極為廣泛，已知硅酸鹽礦物有600余種，構成了地殼巖石圈總重量的約85％。其中鋁硅酸鹽天然礦石為硅酸鹽礦物中重要一部分，其主要成分為SiO₂和Al₂O₃，含有少量鈉離子、鐵離子等金屬陽離子以及硫化物等雜質。天然硅鋁酸鹽礦產豐富，且種類繁多，常見的包括地開石、伊利石、高嶺石、鈣長石、鉀云母、鉀長石等等。不同種類的硅鋁酸鹽礦物的內部分子結構不同，因此以其為原料可以獲得多種不同孔道結構的多孔單質硅粉末。此外，與以二氧化硅為原料制備單質硅不同，硅鋁酸鹽礦物中除得SiO₂還含有大量Al₂O₃，而在制備單質硅的過程中這些Al₂O₃也會隨之除去，從而創造出具有大比表面積和更多孔結構的單質硅粉末。

發明內容

為克服現有技術存在的不足，本發明提供一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質硅粉末的方法，能夠降低成本，有效提高其所得產物微觀結構，并將反應所用的硅源材料從SiO₂質原料擴大到天然硅鋁酸鹽礦物，同時該方法中的還原金屬也不僅僅局限于鎂，金屬鈉同樣適用。

本發明的目的是通過以下方案實現的：

提供一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質硅粉末的方法，包括以下步驟：

1)將硅鋁酸鹽礦石充分粉碎，在0.1～1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡去除雜質，獲得主要成分為SiO₂和Al₂O₃的粉末；

2)將步驟1)的產物烘干后與金屬還原劑粉末按摩爾比為1：1～1：10共同研磨使其充分混合，放入氣氛管式爐中，隔絕空氣或在惰性氣體保護下于300～800℃下鍛燒0.5～12h，冷卻后取出；

3)將步驟2)反應完成后的產物在0.1～1mol/L的稀鹽酸溶液或乙醇溶液中浸泡1～24h并進行超聲清洗5～60min；將超聲清洗后的黑色固體依次浸入蒸餾水、稀HCl溶液、HF溶液中進行反復酸洗、過濾，烘干后即得多孔單質硅。使用蒸餾水洗滌的目的是為了去除反應中的硅酸鈉、鋁酸鈉等副產物；酸洗的目的是為了去除反應中的MgO及Mg₂Si等副產物。

所述的一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質硅粉末的方法，步驟1)中使用的硅鋁酸鹽礦石為天然產出的硅質巖石，其主要成分為SiO₂和Al₂O₃。

所述的一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質硅粉末的方法，硅鋁酸鹽礦石為地開石、伊利石、高嶺石、鈣長石、鉀云母、鉀長石、黃玉、藍晶石或夕線石中的一種。

所述的一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質硅粉末的方法，步驟2)中使用的金屬還原劑為單質鎂粉或將表面液體石蠟擦拭凈并具有一定直徑尺寸的鈉金屬顆粒。

所述的一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質硅粉末的方法，步驟2)中使用的惰性氣體為高純氮氣或高純氬氣。

所述的一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質硅粉末的方法，步驟3)中的超聲清洗是指在20000赫茲以上的超聲波中清洗。