一种碳化硅纳米多孔材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米材料制备技术领域，尤其涉及一种碳化娃纳米多孔材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]碳化硅(SiC)俗称金刚砂，宝石名称钻髓，为硅与碳相键结而成的陶瓷状化合物，碳化硅在大自然以莫桑石这种稀罕的矿物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。将碳化硅粉末烧结可得到坚硬的陶瓷状碳化硅颗粒，并可将之用于诸如汽车刹车片、离合器和防弹背心等需要高耐用度的材料中，在诸如发光二极管、早期的无线电探测器之类的电子器件制造中也有使用。如今碳化硅被广泛用于制造高温、高压半导体。
[0003]目前，制备SiC纳米材料的主要方法有模板生长法、碳热还原法、化学气相沉积法和有机前驱体热解法等。
[0004]二维SiC纳米材料的制备方法主要存在以下几个问题:(I)工艺过程中温度高(模板法、激光烧蚀法、电弧放电法、热蒸发法、碳热还原法)或压力大(溶剂热法)，涉及过程复杂；(2)产物中常含有金属杂质(如金属气-液-固(VLS)催化生长法)或表面包覆S1Jl (激光烧蚀法、电弧放电法、碳热还原法)，形貌不均一；(3)产量低(模板法、溶剂热法)。这些问题制约了高纯二维SiC纳米材料的制备及其本征性能的研究，也不利于实现二维SiC纳米材料的规模化生产。因此，发展新型低成本高纯二维SiC纳米材料的制备技术对于推动二维SiC纳米材料的研究、规模化生产以及在相关高科技领域中的应用具有十分重要的意义。
[0005]海泡石属斜方晶系或单斜方晶系；颜色多变，一般呈淡白或灰白色；体质轻，密度为I?2.2g/cm3;收缩率低，可塑性好。海泡石的化学成分为硅(Si)和镁(Mg);其标准晶体化学式为Mg8 (H2O)4 [Si6O16] 2 (OH)4.8H20，其中S12含量一般在54?60%之间，MgO含量多在21?25%范围内。并常有少数置换的阳离子。海泡石具有极强的吸附、脱色和分散等性能，亦有极高的热稳定性，耐高温性可达1500?1700°C，造型性、绝缘性、抗盐度都非常好。
[0006]虽然我国是世界上少数几个富产海泡石的国家之一，但开发利用却十分落后，目前仍以出口原料为主。由于海泡石比表面积仅次于活性炭，其价格仅为其十几分之一，所以应用前景十分广泛。
【发明内容】
[0007]为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供一种原料廉价、环境污染小的碳化硅纳米多孔材料的制备方法，包括以下步骤:
[0008](I)在60?65°C水浴下向含有1g海泡石的悬浊液中滴加含8?16mmol的八烷基三甲基溴化铵溶液，八烷基三甲基溴化铵溶液的浓度为I?4mol/L，滴加过程中连续搅拌，滴加完毕后再滴加丙酮2?4mL，滴加完毕后于相同条件下继续搅拌2?3h，离心分离，将得到的固体物用去离子水洗涤4?5次，100?105°C下烘干，将固体物碾磨成50?80目的粉末，在该过程中阳离子表面活性剂通过静电作用被作为单分子固定到海泡石表面；
[0009](2)将粉末置于管式炉中通N2保护，在500?800 °C下碳化4?6h，再持续通化冷却至室温，有机物被高温碳化，在海泡石表面形成炭质层；
[0010](3)将碳化后的固体物2?4g放入瓶中，加入10?15mL浓度为20?40%的盐酸溶液，搅拌20?30h，溶解掉海泡石中的镁氧结构，固液分离，用去离子水清洗，60?70°C恒温干燥5?6h，得到碳层包覆的氧化硅的碳硅结合颗粒；
[0011](4)将碳硅结合颗粒置于管式炉中，在氩气保护下，以升温速率为10?15°C /min升温至600°C，恒温60?120min，继续升温，速率为10?15°C /min,升温至1400?1500°C，恒温240?360min，然后降温至300?400 °C，通入空气，煅烧60?120min，冷却至室温，将煅烧后的产物浸泡于氢氟酸与盐酸的混合酸中，氢氟酸与盐酸的摩尔比为0.5-10:1，混合酸处理时间为4?24h，清洗掉未反应二氧化硅，用去离子水洗涤至pH = 7后，80?105°C烘干，得到碳化娃纳米多孔材料。
[0012]本发明的有益效果是:
[0013]本发明与现有技术相比具有下述特征和优点:(I)以纳米多孔材料表面包覆的有机物为碳源，发挥了海泡石的特殊结构所带来的比表面积大、微孔规则的特点，首先在海泡石表面得到碳层，有利于反应物硅源与碳源充分接触，反应完全。(2)以海泡石中的硅为原材料，充分利用海泡石的管状结构，最大化利用碳源和硅源。(3)原料来源廉价，过程可控，易于实现工业化生产。
【具体实施方式】
[0014]实施例1
[0015]在65°C水浴下向含有1g海泡石的悬浊液中滴加含16mmol的八烷基三甲基溴化铵溶液，八烷基三甲基溴化铵溶液的浓度为4mol/L，滴加过程中连续搅拌，滴加完毕后再滴加丙酮4mL，滴加完毕后于相同条件下继续搅拌3h，离心分离，将得到的固体物用去离子水洗涤5次，105°C下烘干，将固体物碾磨成80目的粉末，在该过程中阳离子表面活性剂通过静电作用被作为单分子固定到海泡石表面；将粉末置于管式炉中通N2保护，在800°C下碳化6h，再持续通N2冷却至室温，有机物被高温碳化，在海泡石表面形成炭质层；将碳化后的固体物4g放入瓶中，加入15mL浓度为40%的盐酸溶液，搅拌30h，溶解掉海泡石中的镁氧结构，固液分离，用去离子水清洗，70°C恒温干燥6h，得到碳层包覆的氧化硅的碳硅结合颗粒；将碳硅结合颗粒置于管式炉中，在氩气保护下，以升温速率为15°C /min升温至600°C，恒温120min，继续升温，速率为15°C /min,升温至1500°C，恒温360min，然后降温至400°C，通入空气，煅烧120min，冷却至室温，将煅烧后的产物浸泡于氢氟酸与盐酸的混合酸中，氢氟酸与盐酸的摩尔比为10:1，混合酸处理时间为24h，清洗掉未反应二氧化硅，用去离子水洗涤至PH = 7后，105°C烘干，得到碳化硅纳米多孔材料。
[0016]实施例2
[0017]在60°C水浴下向含有1g海泡石的悬浊液中滴加含8mmol的八烷基三甲基溴化铵溶液，八烷基三甲基溴化铵溶液的浓度为lmol/L，滴加过程中连续搅拌，滴加完毕后再滴加丙酮2mL，滴加完毕后于相同条件下继续搅拌2h，离心分离，将得到的固体物用去离子水洗涤4次，100°C下烘干，将固体物碾磨成50目的粉末，在该过程中阳离子表面活性剂通过静电作用被作为单分子固定到海泡石表面；将粉末置于管式炉中通队保护，在500°C下碳化4h，再持续通N2冷却至室温，有机物被高温碳化，在海泡石表面形成炭质层；将碳化后的固体物2g放入瓶中，加入1mL浓度为20%的盐酸溶液，搅拌20h，溶解掉海泡石中的镁氧结构，固液分离，用去离子水清洗，60°C恒温干燥5h，得到碳层包覆的氧化硅的碳硅结合颗粒；将碳硅结合颗粒置于管式炉中，在氩气保护下，以升温速率为10°C /min升温至600°C，恒温60min，继续升温，速率为10°C /min,升温至1400°C，恒温240min，然后降温至300°C，通入空气，煅烧60min，冷却至室温，将煅烧后的产物浸泡于氢氟酸与盐酸的混合酸中，氢氟酸与盐酸的摩尔比为0.5:1，混合酸处理时间为4h，清洗掉未反应二氧化硅，用去离子水洗涤至pH=7后，80°C烘干，得到碳化硅纳米多孔材料。
[0018]实施例3
[0019]在65°C水浴下向含有1g海泡石的悬浊液中滴加含1mmol的八烷基三甲基溴化铵溶液，八烷基三甲基溴化铵溶液的浓度为2mol/L，滴加过程中连续搅拌，滴加完毕后再滴加丙酮3mL，滴加完毕后于相同条件下继续搅拌3h，离心分离，将得到的固体物用去离子水洗涤5次，105°C下烘干，将固体物碾磨成80目的粉末，在该过程中阳离子表面活性剂通过静电作用被作为单分子固定到海泡石表面；将粉末置于管式炉中通N2保护，在800°C下碳化6h，再持续通N2冷却至室温，有机物被高温碳化，在海泡石表面形成炭质层；将碳化后的固体物4g放入瓶中，加入15mL浓度为40%的盐酸溶液，搅拌30h，溶解掉海泡石中的镁氧结构，固液分离，用去离子水清洗，70°C恒温干燥6h，得到碳层包覆的氧化硅的碳硅结合颗粒；将碳硅结合颗粒置于管式炉中，在氩气保护下，以升温速率为15°C /min升温至600°C，恒温120min，继续升温，速率为15°C /min,升温至1500°C，恒温360min，然后降温至400°C，通入空气，煅烧120min，冷却至室温，将煅烧后的产物浸泡于氢氟酸与盐酸的混合酸中，氢氟酸与盐酸的摩尔比为10:1，混合酸处理时间为24h，清洗掉未反应二氧化硅，用去离子水洗涤至PH = 7后，105°C烘干，得到碳化硅纳米多孔材料。
【主权项】
1.一种碳化娃纳米多孔材料的制备方法，其特征是依次包括如下步骤: (1)在60?65°C水浴下向含有1g海泡石的悬浊液中滴加含8?16mmol的八烷基三甲基溴化铵溶液，八烷基三甲基溴化铵溶液的浓度为I?4mol/L，滴加过程中连续搅拌，滴加完毕后再滴加丙酮2?4mL，滴加完毕后于相同条件下继续搅拌2?3h，离心分离，将得到的固体物用去离子水洗涤4?5次，100?105°C下烘干，将固体物碾磨成50?80目的粉末，在该过程中阳离子表面活性剂通过静电作用被作为单分子固定到海泡石表面； (2)将粉末置于管式炉中通N2保护，在500?800°C下碳化4?6h，再持续通N2冷却至室温，有机物被高温碳化，在海泡石表面形成炭质层； (3)将碳化后的固体物2?4g放入瓶中，加入10?15mL浓度为20?40%的盐酸溶液，搅拌20?30h，溶解掉海泡石中的镁氧结构，固液分离，用去离子水清洗，60?70°C恒温干燥5?6h，得到碳层包覆的氧化硅的碳硅结合颗粒； (4)将碳硅结合颗粒置于管式炉中，在氩气保护下，以升温速率为10?15°C/min升温至600。。，恒温60?120min，继续升温，速率为10?15°C /min，升温至1400?1500。。，恒温240?360min，然后降温至300?400 °C，通入空气，煅烧60?120min，冷却至室温，将煅烧后的产物浸泡于氢氟酸与盐酸的混合酸中，氢氟酸与盐酸的摩尔比为0.5-10:1，混合酸处理时间为4?24h，清洗掉未反应二氧化硅，用去离子水洗涤至pH = 7后，80?105°C烘干，得到碳化娃纳米多孔材料。
【专利摘要】本发明公开一种碳化硅纳米多孔材料的制备方法。依次包括如下步骤：在水浴下向海泡石的悬浊液中滴加八烷基三甲基溴化铵溶液，滴加完毕后再滴加丙酮，滴加完毕后于相同条件下继续搅拌，最后离心分离，洗涤烘干并研磨；将粉末置于管式炉中通N2保护下碳化，将碳化后的固体物放入瓶中，加入盐酸溶液，搅拌，固液分离，洗涤，烘干；将得到的颗粒置于管式炉中，在氩气保护下，程序升温煅烧后冷却至室温，将煅烧的产物浸泡于氢氟酸与盐酸的混合酸中，清洗掉未反应二氧化硅，用去离子水洗涤烘干，得到碳化硅纳米多孔材料。该方法以海泡石中的硅为原材料，充分利用海泡石的多孔结构，原料来源廉价，过程可控，易于实现工业化生产。
【IPC分类】B82Y40/00, C01B31/36
【公开号】CN105036136
【申请号】CN201510512302
【发明人】马建锋, 刘青, 姚超
【申请人】常州大学
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年8月19日