一种多孔硅粉的制备方法与流程

本发明涉及多孔纳米功能材料制备领域，具体涉及一种多孔硅粉的制备方法。

背景技术：

早在1956年时，美国贝尔实验室Uhlir首次发现并报道了通过电化学腐蚀法可以形成多孔硅薄膜。自从多孔硅被发现以后，多孔硅被广泛应用于生物与化学传感器、光催化、能源、超级电容器、生物成像、药物递送等领域。

目前，多孔硅的制备方法有国内外出现的制备多孔硅的方法有多种，但总体可归纳为电化学方法、光化学腐蚀法、刻蚀法和水热腐蚀法。当前较成熟的多孔硅制备方法有阳极电化学刻蚀法、镁热还原法、水热法。但是阳极电化学刻蚀法仅适用于硅片的多孔结构制备，不仅硅片原料价格昂贵，而且能耗较高，此方法不适用于多孔硅粉的制备。

同济大学包志豪等人公开了一种用镁热还原法制备多孔硅的方法(公开号：CN 102259858A)，该方法以硅的氧化物SiO_x(x＝0.5-2)为原料，通过镁热还原反应生成硅和氧化镁的混合物，再使用酸选择性溶解掉氧化镁，最终获得自支撑的多孔硅材料。虽然该方法较电化学阳极腐蚀方法工艺简单，避免使用价格昂贵的单晶硅片，但是它反应能耗高、需惰性气体保护导致成本较高。因此，限制了镁热还原法的大规模应用。

陈乾旺等人提出了水热法制备多孔硅的技术(公开号：CN 1212989A)，将硅粉置于高压釜内，含0.1～0.8mol/L氟离子的水溶液中，填充度为60％～80％，调节体系的氧化气氛为2.0-10.0N/L，在100℃～250℃温度下保持0.5～2小时。尽管这种方法较其他方法简便，但是加热温度较高，同时孔隙较小，孔隙结构可控性较差。

技术实现要素：

本发明的目的在于根据当前多孔硅粉的制备中的缺点，提供一种多孔硅粉的制备方法，以铝硅合金粉为原料，在酸腐蚀体系中，直接腐蚀合金粉中的铝后形成多孔硅粉，在硅粉内部形成孔隙率、结构可控的孔隙，所述方法

一种多孔硅粉的制备方法，包括以下步骤：

1)采用刻蚀液对铝硅合金粉进行刻蚀，经过1-600min的刻蚀得到含有纳米级孔道的多孔硅，孔径在1-1000nm；

2)将含有纳米级孔道的多孔硅置于酸性溶液中浸泡，之后经清洗去除杂质，得到多孔硅粉。

所述的刻蚀液为由FeCl₃、HCl、乙醇和水组成的混合溶液或者由AgNO₃、HCl、乙醇和水组成的混合溶液。

本方法在刻蚀剂中加入金属盐溶液作为催化剂，金属离子优先置换合金粉中的铝，使反应中加入电化学反应，极大的提高了反应速度。相较于单纯的酸刻蚀，缩短了反应时间，提高产量。

步骤1)中，所述的铝硅合金粉的粒径小于等于500μm。所述的铝硅合金粉

所述的刻蚀液中，FeCl₃或AgNO₃的质量百分数为1％～10％，HCl的质量百分数为5％～15％，乙醇的质量百分数为0.5％～5％。

所述的刻蚀的温度为30℃～90℃。进一步优选，所述的刻蚀的温度为30℃～40℃。所述的刻蚀的温度为30℃。

所述的刻蚀的过程采用机械搅拌或者磁力搅拌。

步骤2)中，所述的酸性溶液为HCl、HF、H₂SO₄、HNO₃中的一种或两种以上(包括两种)，酸性溶液可以是单一酸或者混合酸。所述的浸泡的时间为0.5-5小时。

所述的酸性溶液的质量百分数为1％～10％。

所述的清洗去除杂质采用去离子水清洗。

最优选的，一种多孔硅粉的制备方法，包括以下步骤：

1)采用刻蚀液对铝硅合金粉进行刻蚀，经过30℃、60min的刻蚀，刻蚀的过程采用300r/min磁力搅拌，得到含有纳米级孔道的多孔硅，孔径在1-1000nm；

所述的铝硅合金粉的粒径小于等于200μm；

所述的刻蚀液为由FeCl₃、HCl、乙醇和水组成的混合溶液，所述的刻蚀液中，FeCl₃的质量百分数为5％，HCl的质量百分数为10％，乙醇的质量百分数为2％；

2)将含有纳米级孔道的多孔硅置于质量百分数为5％盐酸溶液中浸泡1小时，之后采用去离子水清洗去除杂质，干燥得到多孔硅粉。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

本发明提供的刻蚀硅粉制备多孔硅，引入AgNO₃或FeCl₃、HCl、乙醇和水，通过控制腐蚀液浓度可控制多孔硅粉的形貌、孔径、成孔速度等。本法相较于传统的电化学阳极刻蚀法、镁热还原等方法，避免了高温导致的高能耗、昂贵的高温设备及复杂操作。本方法在刻蚀剂中加入金属盐溶液作为催化剂，金属离子优先置换合金粉中的铝，使反应中加入电化学反应，极大的提高了反应速度。相较于单纯的酸刻蚀，缩短了反应时间，提高产量。

本方法的优势在于利用简单反应加电化学反应常温下制备多孔硅，避免了加热设备。本方法具有设备简单、反应时间短、操作方便、成本低、材料结构可控、能适应大规模工业生产等优势。

附图说明

图1为实施例1制备的具有纳米孔的多孔硅的SEM图片图像，其中放大倍数为×50K。

具体实施方式

下面通过具体实例详细介绍本发明的技术方案，但本发明不局限于实施例，以下实例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求书中的所有内容。

如无特别说明，本发明实施例中出现的百分数均为质量百分数。

实施例1

本实例所述多孔硅的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)硅粉的刻蚀：铝硅合金粉的粒径小于等于200μm，在30℃下放入5％FeCl₃、10％盐酸、2％酒精和水的混合液中进行刻蚀，同时进行磁力搅拌(搅拌速度为300r/min)，经过60min的刻蚀，得到多孔硅，孔径在1-1000nm之间。

(2)将(1)中得到的多孔硅的放入5％的HCl中进行浸泡1小时得到的多孔硅粉。

(3)将(2)中得到的多孔硅粉用去离子水清洗3次，然后干燥即可得到多孔硅粉。

实施例2

本实例所述多孔硅的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)硅粉的刻蚀：在30℃下放入5％FeCl₃、20％％盐酸与2％混酒精合液中进行刻蚀(搅拌速度为300r/min)，同时进行磁力搅拌，经过60min的刻蚀。

(2)将(1)中得到的多孔硅的放入5％的HCl中进行浸泡1小时。

(3)将(2)中得到的多孔硅粉用去离子水清洗3次，然后干燥即可得到多孔硅粉。

实施例3

本实例所述多孔硅的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)硅粉的刻蚀：在30℃下放入5％AgNO₃、10％盐酸与2％混酒精合液中进行刻蚀，同时进行磁力搅拌(搅拌速度为300r/min)，经过60min的刻蚀。

(2)将(1)中得到的多孔硅的放入5％的HCl中进行浸泡1小时。

(3)将(2)中得到的多孔硅粉用去离子水清洗3次，然后干燥即可得到多孔硅粉。

实施例4

本实例所述多孔硅的制备方法，具体包括以下步骤：

(1)硅粉的刻蚀：在30℃下放入5％AgNO₃、20％盐酸与2％混酒精合液中进行刻蚀，同时进行磁力搅拌(搅拌速度为300r/min)，经过60min的刻蚀。

(2)将(1)中得到的多孔硅的放入5％的HCl中进行浸泡1小时。

(3)将(2)中得到的多孔硅粉用去离子水清洗3次，然后干燥即可得到多孔硅粉。