一种二维硅的制备方法及其应用与流程

本发明涉及二维硅制备技术领域，尤其涉及一种二维硅的制备方法及其应用。

背景技术：

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

二维材料具有独特的物理化学性能，在技术应用及基础研究方面取得了重要的进展。近年来，各种二维材料，如石墨烯、过渡金属氧化物、硫化物、及碳氮化物等，已经被广泛的用于催化、吸附和储能等领域。然而，由于硅是各向同性的立方相晶相，要实现自发层状生长极为困难。目前，尽管开发了多种方法合成二维硅，如化学气相沉积、模板诱导合成、剥离等方法，但本发明人发现，这些方法普遍存在成本高、工艺复杂、前驱体单一、产率低、对材料的利用率低等问题。

技术实现要素：

针对上述的问题，开发一种成本低、产率高、结构完整，且能够实现大规模制备二维硅的方法是本发明要实现的主要目的。为此，本发明提出一种二维硅的制备方法及其应用。为实现上述发明目的，本发明采用的技术手段为：

首先，本发明公开一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：以asi2型合金为前驱体，采用化学脱合金的方法对所述前驱体进行处理，即可得到二维硅。

进一步地，采用化学脱合金的方法时，所述前驱体包括：casi2、nisi2、fesi2、tisi2、cosi2、crsi2、nbsi2、zrsi2、mosi2、lisi2中的任意一种或两种及以上的混合物。本发明发现这种类型的合金通过脱除其中的a元素后能够在形成高纯度硅材料的同时，形成二维的层状结构，从而得到二维硅。另外，由于asi2型合金中的a元素被除去，本发明制备的这种二维硅还具一定的有多孔特性，这进一步增大了与电解液的接触界面、提高电荷传输速率，从而提高其电化学性能。

进一步地，所述化学脱合金的方法为采用酸对前驱体进行刻蚀处理。

可选地，所述酸包括盐酸、硫酸、醋酸、草酸，柠檬酸、磷酸、亚硫酸、磷酸、氢氟酸、甲酸、苯甲酸、乙酸、丙酸、硬脂酸、碳酸、氢硫酸、次氯酸、硼酸、硅酸中的任意一种或两种及以上的混合物。

进一步地，所述化学脱合金的方法中，反应的温度为0-80℃，反应的时间为1-24h。例如，可以在25-50℃之间反应5-24h。需要说明的是，反应的温度和时间可以根据选择的前驱体和酸进行灵活选择。

进一步地，所述化学脱合金的方法中，反应后对得到的产物依次进行过滤、洗涤、干燥。以便于除去产物表面的残留酸液。优选地，所述干燥为真空干燥；真空干燥的温度为70-150℃，防止二维硅的表面在高温下被氧化。

其次，本发明公开另一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：以asi2型合金为前驱体，采用真空脱合金的方法对所述前驱体进行处理，即可得到二维硅。

进一步地，采用真空脱合金的方法时，所述前驱体包括：casi2、lisi2中的任意一种或两种的混合物。

进一步地，采用真空脱合金的方法时，保温温度为800℃-1500℃，时间为0.1-20h。例如，可以为在880-1400℃之间保温0.1-20h。需要说明的是，保温温度和时间可以根据选择的前驱体和酸进行灵活选择。

进一步地，采用真空脱合金的方法时，真空度等于或小于10pa。

最后，本发明公开所述二维硅的制备方法得到的二维硅在催化、吸附、储能等领域中的应用。例如，用作锂离子电池、超级电容器、太阳能电池等的负极材料时，本发明的这种特殊结构的二维硅能够缩短离子传输的路径、增大电极与电解液的接触界面、提高电荷传输速率，从而能够有效的提高电化学性能。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益效果：

(1)本发明的二维硅的制备方法能够以商业化的合金作为前驱体，这类前驱体的种类多，成本低，可以显著降低二维硅的制备成本。

(2)本发明的二维硅的制备方法可以通过控制合成条件就能够改变产物的微观形貌，相对于传统的制备方法，本发明的真空脱合金法或者酸刻蚀的方法对形貌的控制更为简单容易。

(3)现有技术相比，本发明的制备方法不需制备特定的前驱体、不需煅烧、不需球磨，也没有繁杂的反应工序，因此，本发明的制备工艺简单、成本低，极大地提高了生产效率高，能更好地满足工业化生产的需要，实现大规模生产，极具应用前景。

(4)本发明采用的真空脱合金法在高温下蒸发出的非硅元素可以被回收利用，从而避免浪费污染，并且提高材料的利用率，并且合成过程中，不会用到有污染的化学物质，因此该方法环保，不会污染环境。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明第一实施例制备的二维硅的xrd图。

图2为本发明第一实施例制备的二维硅的电镜照片图。

图3为本发明第二实施例制备的二维硅的xrd图。

图4为本发明第二实施例制备的二维硅的电镜照片图。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

正如前文所述，现有的制备二维硅的化学气相沉积、模板诱导合成、剥离等方法普遍存在成本高、工艺复杂、前驱体单一、产率低、对材料利用率低等问题。因此，本发明基于化学脱合金和真空脱合金法提出了一种能够实现大规模制备结构完整的二维硅的方法；现结合说明书附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

第一实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5gcasi2作为前驱体，用2m的盐酸溶液在25℃的条件下刻蚀5h，完成后过滤出反应液中的固体产物，洗涤后在100℃下进行真空烘干，即得到二维硅。

第二实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5gcasi2作为前驱体，在10pa的真空条件下，于880℃加热20h，完成后降到室温，即得到二维硅。

第三实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5gfesi2作为前驱体，用5m的硫酸溶液在20℃的条件下刻蚀10h，完成后过滤出反应液中的固体产物，洗涤后在100℃下进行真空烘干，即得到二维硅。

第四实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5glisi2作为前驱体，在10pa的真空条件下，于1300℃加热12h，完成后降到室温，即得到二维硅。

第五实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5gcasi2作为前驱体，用0.5m的氢氟酸溶液在30℃的条件下刻蚀2h，完成后过滤出反应液中的固体产物，洗涤后在150℃下进行真空烘干，即得到二维硅。

第六实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5gcasi2和0.6glisi2作为前驱体，在10pa的真空条件下，于1400℃加热0.1h，完成后降到室温，即得到二维硅。

第七实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5gmosi2作为前驱体，用3m的乙酸溶液在50℃的条件下刻蚀24h，完成后过滤出反应液中的固体产物，洗涤后在120℃下进行真空烘干，即得到二维硅。

第八实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5glisi2作为前驱体，在8pa的真空条件下，于1200℃加热15h，完成后降到室温，即得到二维硅。

第九实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5gcosi2作为前驱体，用5m的柠檬酸溶液在80℃的条件下刻蚀1h，完成后过滤出反应液中的固体产物，洗涤后在70℃下进行真空烘干，即得到二维硅。

第十实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5gcasi2和1.0gnisi2作为前驱体，用2m的盐酸和硫酸溶液(盐酸：硫酸＝1:1，体积比)在25℃的条件下刻蚀5h，完成后过滤出反应液中的固体产物，洗涤后在100℃下进行真空烘干，即得到二维硅。

第十一实施例

一种二维硅的制备方法，包括如下步骤：取0.5gfesi2和0.2gtisi2作为前驱体，用5m的盐酸和乙酸(盐酸：乙酸＝1:1，体积比)溶液在25℃的条件下刻蚀5h，完成后过滤出反应液中的固体产物，洗涤后在100℃下进行真空烘干，即得到二维硅。

性能测试

图1和图3分别为第一实施例和第二实施例制备的二维硅材料的xrd图，可以看出，两幅图中均没有杂峰出现，这说明两个实施例制备的是高纯硅。

图2和图4分别为第一实施例和第二实施例制备的二维硅材料的sem图，可以看出，得到的硅的微观结构是二维层状的，而且非常完整，是一种具有特定层状结构的理想二维硅材料。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。