本发明涉及合成硅单质的制备
技术领域：
，更具体的说是涉及一种合成片状纳米硅单质的方法。
背景技术：
：随着我国科技不断发展，硅在光电领域，半导体行业应用越来越多，对硅单质的需求量不断增加，硅单质的合成已经成为研究热点。硅单质因其独特的结构和半导体特性，在光、电、磁等领域已得到广泛应用。但是硅单质现有技术的制备方法具有成本高，条件苛刻的缺点。硅纳米晶通常指尺寸在纳米级的硅晶体。硅纳米结构由于量子限域效应的作用而产生了多种不同于体硅材料的新特性，例如:荧光效应显著、光学带隙可调、光学吸收增强和高能光子作用下多激子效应明显等。由于硅材料是目前最重要且应用最广泛的半导体材料，硅纳米材料的出现有利于拓展传统硅器件的应用领域，因而纳米硅受到重视。目前，利用硅烷分解法、激光轰击硅靶法，低温等离子体法制备纳米硅球或颗粒，原料成本高，操作条件苛刻。有些方法制备片层状纳米硅单质，需要与石墨烯或其它基质共同形成，石墨烯不易去除的特点，限制了片层硅的生产应用。利用柱撑物的柱撑作用，将改性的片层状氧化硅分散，然后还原，得到片层状纳米硅单质。该方法操作简便，易于大规模投产。因此，结合上述问题，提供一种成本低廉、操作简单、条件温和的合成片状纳米硅单质的方法，是本领域技术人员亟需解决的问题。技术实现要素：有鉴于此，本发明提供了一种合成片状纳米硅单质的方法，该方法原料来源广，产物稳定性高，可实现大量制备片状纳米硅单质。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种合成片状纳米硅单质的方法，包括以下步骤：s1，用季铵盐修饰改性片状高岭土，600r/min条件下搅拌24h；s2，向步骤s1所得产物添加柱撑物，混合搅拌12～36h，搅拌速度为600r/min，超声处理5～6h，超声频率为40khz，加热烘干，煅烧后自然冷却，得到柱撑层状高岭土中间体；s3，将步骤s2得到的柱撑层状高岭土中间体与铝粉混合，混合均匀后置于烧结炉中，在惰性气氛下升温至400～700℃反应，煅烧1～5h，自然冷却后收集反应中产物；s4，向步骤s3所得反应中产物加入1mol/l的稀硫酸，反应至无铝离子生成，离心分离出沉淀物，用去离子水洗涤3-5次，再加入0.1mol/l的氢氟酸反应，离心分离后，去离子水洗涤3-5次，干燥处理，得到片状纳米硅单质。优选的，所述步骤s1中季铵盐为十六烷基三甲基氯化铵、十六烷基三甲基溴化铵中的一种。优选的，所述步骤s1中高岭土：季铵盐：去离子水的质量比为1:1.44～1.66:2。优选的，所述步骤s2中柱撑物包括但不限于氯化钠、氯化钾。优选的，所述步骤s2中高岭土与柱撑物的摩尔比为1：5～10。优选的，所述步骤s2中300～350℃的温度条件下煅烧3-5h。优选的，所述步骤s3中柱撑改性高岭土中氧化硅与铝粉的摩尔比为1：2～5。优选的，所述步骤s3中在惰性气氛下以每分钟升温20℃的速度升温。优选的，所述步骤s4中控制温度为100℃条件下干燥处理24h。经由上述技术方案可知，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：本发明用季铵盐修饰改性片状高岭土，季铵盐插层于片层间，使片层高岭土结构疏松，易于后续柱撑改性和铝粉还原反应，极大地缩短了柱撑物改性的时间；利用柱撑物的柱撑作用进行改性，使片层分离，反应不易形成球状或颗粒，片层不易集聚成块，增大了比表面面积，提升了片状纳米硅单质的活性、分散性和负载性；利用铝粉还原，稀硫酸、氢氟酸过滤洗涤，去除原料和反应过程中生成的氧化铝、氧化硅等杂质，提升了产物的出产率。采用本发明的技术方案，出产率可达80％以上，并且终产物与原料容易分离，反应在常温条件下进行，条件温和、操作简单、成本低廉，可实现大规模工业化制备片状纳米硅单质。具体实施方式下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例1：本发明实施例1公开了一种合成片状纳米硅单质的方法，采用的技术方案如下：所述的一种合成片状纳米硅单质的方法，包括以下步骤：s1，在1000ml烧杯中，加入50g片状高岭土，72g十六烷基三甲基氯化铵，100ml去离子水，600r/min条件下搅拌24h；s2，向步骤s1中加入250g氯化钠，混合搅拌12h，搅拌速度为600r/min，40khz超声处理5h，加热烘干，控制温度300℃，煅烧3h，自然冷却，得到柱撑层状高岭土中间体；s3，加入26g铝粉与步骤s2得到的柱撑层状高岭土中间体混合，混合均匀后置于烧结炉中，在惰性气氛下以每分钟升温20℃的速度升温至700℃反应，煅烧1h，自然冷却后收集反应中产物；s4，向步骤s3所得反应中产物加入3l的1mol/l的稀硫酸，反应至无铝离子生成，离心分离出沉淀物，用去离子水洗涤3-5次，再加入50ml的0.1mol/l的氢氟酸反应0.5h，离心分离后，去离子水洗涤3-5次，控制温度为100℃条件下干燥处理24h，得到片状纳米硅单质，实验测得收率为87％。实施例2：本发明实施例2公开了一种合成片状纳米硅单质的方法，采用的技术方案如下：所述的一种合成片状纳米硅单质的方法，包括以下步骤：s1，在1000ml烧杯中，加入50g片状高岭土，72g十六烷基三甲基氯化铵，100ml去离子水，600r/min条件下搅拌24h；s2，向步骤s1中加入300g氯化钠，混合搅拌36h，搅拌速度为600r/min，40khz超声处理5.5h，加热烘干，控制温度330℃，煅烧5h，自然冷却，得到柱撑层状高岭土中间体；s3，加入40g铝粉与步骤s2得到的柱撑层状高岭土中间体混合，混合均匀后置于烧结炉中，在惰性气氛下以每分钟升温20℃的速度升温至550℃反应，煅烧5h，自然冷却后收集反应中产物；s4，向步骤s3所得反应中产物加入2.5l的1mol/l的稀硫酸，反应至无铝离子生成，离心分离出沉淀物，用去离子水洗涤3-5次，再加入60ml的0.1mol/l的氢氟酸反应0.5h，离心分离后，去离子水洗涤3-5次，控制温度为100℃条件下干燥处理24h，得到片状纳米硅单质，实验测得收率为86％。实施例3：本发明实施例3公开了一种合成片状纳米硅单质的方法，采用的技术方案如下：所述的一种合成片状纳米硅单质的方法，包括以下步骤：s1，在1000ml烧杯中，加入50g片状高岭土，83g十六烷基三甲基溴化铵，100ml去离子水，600r/min条件下搅拌24h；s2，向步骤s1中加入500g氯化钾，混合搅拌30h，搅拌速度为600r/min，40khz超声处理6h，加热烘干，控制温度350℃，煅烧4h，自然冷却，得到柱撑层状高岭土中间体；s3，加入51g铝粉与步骤s2得到的柱撑层状高岭土中间体混合，混合均匀后置于烧结炉中，在惰性气氛下以每分钟升温20℃的速度升温至400℃反应，煅烧3h，自然冷却后收集反应中产物；s4，向步骤s3所得反应中产物加入6l的1mol/l的稀硫酸，反应至无铝离子生成，离心分离出沉淀物，用去离子水洗涤3-5次，再加入80ml的0.1mol/l的氢氟酸反应0.5h，离心分离后，去离子水洗涤3-5次，控制温度为100℃条件下干燥处理24h，得到片状纳米硅单质，实验测得收率为84％。对比例：取纯二氧化硅颗粒，经100目筛子预先筛分，除去大颗粒，小颗粒备用。二氧化硅颗粒10g与10g铝粉混合，在惰性气氛下升温至500℃反应，每分钟升高温度约20℃，煅烧5h，自然冷却后收集反应中产物；加入600ml的1mol/l的稀硫酸，反应至无铝离子生成，离心分离出沉淀物，用去离子水洗涤3-5次，再加入30ml的0.1mol/l的氢氟酸反应0.5小时，离心分离后，去离子水洗涤3-5次，控制温度为100℃条件下干燥处理24h，得到硅单质，实验测得收率为114％。对比例的实际产率大于理论产率，原因是硅在还原过程包裹了部分氧化铝，也存在部分二氧化硅未被还原混于最后产品硅单质中的可能。实施例4：对实施例1-3和对比例制备的合成硅单质样品进行性能检测，取5g样品硅单质与足量2mol/l的氢氧化钠溶液反应，检测释放氢气体积随时间的变化，检测结果数据如表1所示：表1样品与2mol/l氢氧化钠反应反应速率样品氢气(ml/min)实施例130实施例229实施例328对比例3通过表1的数据对比可知，实施例1-3合成制备出片状纳米硅单质，还原反应进行彻底，并且反应迅速，说明硅分散性好，与反应物接触更充分，所以反应速率大。柱撑物改性后的中间体具备层状结构，相比颗粒更容易与反应物接触，易于反应进行。实施例5：分别取3g片层状硅和3g对照组颗粒状硅，与30g氯化钠充分混合，在空气中，控温为300℃条件下煅烧5h，冷却后与150ml水混合，过滤、洗涤、干燥，实验测得分别得到6.3g片层状二氧化硅和5.8g颗粒二氧化硅。用14mg/l的亚甲基蓝，在室温下进行静态吸附性能测试，吸附测试进行12h，片层状二氧化硅对亚甲基蓝吸附量达到450mg/g，颗粒状二氧化硅对亚甲基蓝吸附量达到107mg/g。片层状硅单质被氧化形成片层状二氧化硅，由于柱撑物的作用，片层间隙较大，片层可以吸纳吸附质亚甲基蓝；片层之间形成较多堆积孔，也起到吸纳吸附质的作用。片层的吸附作用表现充分。颗粒状氧化硅不具备这些性能，颗粒内部很多二氧化硅不容易接触吸附质，吸附作用难以充分表现出来。所以片层状二氧化硅对亚甲基蓝吸附量大。片层状二氧化硅比表面积达到210m2/g，大于颗粒状二氧化硅比表面积80m2/g，比表面积大往往有好的吸附作用。本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。当前第1页12