一種鋁還原制備納米硅的方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)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】
[0002]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(yōu)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(jù)主流位置，同時硅可以作為鋰離子電池的負極材料，傳統(tǒng)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(fā)現(xiàn)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(yōu)良的電化學性能，但是目前的制造成本高而影響其規(guī)?；a應用。
[0003]目前制備納米硅采用的方法:(I)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(fā)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(shù)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°C以上的溫度，但是硅的熔點為1410°C，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(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明的目的為了克服現(xiàn)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(yè)大規(guī)模生產的一種鋁還原制備納米硅的方法。
[0005]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案，該方法包括如下步驟:
[0006]步驟一:室溫下，將鋁粉和S12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；
[0007]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0.0lMPa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；
[0008]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；
[0009]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S12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，即制得納米娃粉廣物。
[0010]所述步驟一中的鋁粉的粒徑為50?500目，Si02粉的粒徑為10?lOOnm。所述步驟一中的鋁粉和S12粉的摩爾比為1:3?4:1。所述步驟二中的反應溫度700?1200°C，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?6mo I /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:1?500mL，濃度為:1?2511101/1，反應時間為:0.5?24小時。
[0011]本發(fā)明可規(guī)?；苽浼{米硅，優(yōu)點在于:(I)所用原料成本低；(2)操作簡單，無危險，可以大規(guī)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(fā)明方法與傳統(tǒng)的制備方法相比，具有工藝簡單，成本低和安全性能高等優(yōu)點，對大規(guī)模制備納米硅提供了可行的方法。
【附圖說明】
[0012]圖1是制備納米硅粉的外觀形貌圖；
[0013]圖2是實施例1制備得到的納米硅粉的掃描電子顯微鏡照片；
[0014]圖3是實施例1制備得到的納米硅粉的X射線衍射照片。
【具體實施方式】
[0015]本發(fā)明為一種鋁還原制備納米硅的方法，該方法包括如下步驟:
[0016]步驟一:室溫下，將鋁粉和S12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；
[0017]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0.0lMPa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；
[0018]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；
[0019]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S12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，即制得納米娃粉廣物。
[0020]所述步驟一中的鋁粉的粒徑為50?500目，Si02粉的粒徑為10?lOOnm。所述步驟一中的鋁粉和S12粉的摩爾比為1:3?4:1。所述步驟二中的反應溫度700?1200°C，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?6mo I /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:1?500mL，濃度為:1?2511101/1，反應時間為:0.5?24小時。[0021 ]如圖1所示，通過本發(fā)明制備出納米硅粉產物為膨松狀黃色粉末。
[0022]為了更加詳細的解釋本發(fā)明，現(xiàn)結合實施例對本發(fā)明做進一步闡述。具體實施例如下:
[0023]實施例一
[0024]—種鋁還原制備納米硅的方法，該方法包括如下步驟:
[0025]步驟一:室溫下，將鋁粉和S12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；
[0026]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0.0lMPa后在氬氣的保護下，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；
[0027]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4次，經真空干燥，研細，收集產物；
[0028]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Si02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4次，再經真空干燥，研細，即制得納米硅粉產物。
[0029]所述步驟一中的鋁粉的粒徑為200目，S12粉的粒徑為20nm。所述步驟一中的鋁粉和S12粉的摩爾比為5:3。所述步驟二中的反應溫度1000°C，保持反應溫度一定時間為:2小時。所述步驟三中的稀鹽酸的體積為:I OOmL，濃度為:0.5moI/L，反應時間為:24小時。所述步驟四中所述氫氟酸的體積為:50mL，濃度為:lmol/L，反應時間為:24小時。
[0030]圖2所示為實施例一制備得到的納米硅粉的掃描電子顯微鏡照片，由圖可以清楚的發(fā)現(xiàn)所制備的樣品為納米硅。圖3所示為實施例一制備得到的納米硅粉的X射線衍射照片，與納米硅的標準衍射圖相比，可知實施例一制備的產物為納米硅。
[0031]實施例二
[0032]—種鋁還原制備納米硅的方法，該方法包括如下步驟:
[0033]步驟一:室溫下，將鋁粉和S12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；
[0034]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0.0lMPa后在氬氣的保護下，3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；
[0035]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次，經真空干燥，研細，收集產物；
[0036]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S12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次，再經真空干燥，研細，即制得納米硅粉產物。
[0037]所述步驟一中的鋁粉的粒徑為200目，S12粉的粒徑為lOOnm。所述步驟一中的鋁粉和S12粉的摩爾比為1:1。所述步驟二中的反應溫度800°C，保持反應溫度一定時間為:4小時。所述步驟三中的稀鹽酸的體積為:10mL，濃度為:0.5moI/L，反應時間為:24小時。所述步驟四中所述氫氟酸的體積為:50mL，濃度為:lOmol/L，反應時間為:24小時。
[0038]實施例三
[0039]—種鋁還原制備納米硅的方法，該方法包括如下步驟:
[0040]步驟一:室溫下，將鋁粉和S12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；
[0041]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0.0lMPa后在氬氣的保護下，4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；
[0042]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3次，經真空干燥，研細，收集產物；
[0043]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S12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3次，再經真空干燥，研細，即制得納米硅粉產物。
[0044]所述步驟一中的鋁粉的粒徑為200目，S12粉的粒徑為20nm。所述步驟一中的鋁粉和S12粉的摩爾比為5:3