一种铝还原制备纳米硅的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于纳米硅的制备方法技术领域，具体涉及一种铝还原制备纳米硅的方法。
【背景技术】
[0002]硅作为硅电子器件的主要原料，具有其它半导体材料无法比拟的优越性和良好的应用前景，在未来的几年甚至十几年的时间内，都仍然将占据主流位置，同时硅可以作为锂离子电池的负极材料，传统锂离子电池一般都使用石墨负极，但是该材料的性能已经达到顶峰。研究发现纳米硅可能成为石墨替代品，其理论比容量高达4000mAh/g，相当于在室温下合成的Li15Si4,是下一代锂离子电池用负极材料。各种各样的硅纳米结构作负极材料都展示出了优良的电化学性能，但是目前的制造成本高而影响其规模化生产应用。
[0003]目前制备纳米硅采用的方法:(I)气相法:等离子体增强化学气相沉积(PECVD)(曹茂盛.超微颗粒制备科学与技术，1995，30，94)，激光诱导化学气相沉积(UCVD)(肖义明.激光合成陶瓷，1992)，激光烧蚀沉积(LICVD)(彭英才.硅基纳米微粒的激光烧蚀沉积及可见光发射特性，激光与红外，2000,30(2): 92-94);气相法的硅源为硅烷，硅烷具有高毒性、昂贵和可燃等特点，并且用化学气相沉积(CVD)法来制备纳米硅，其所需的制造设备非常昂贵；(2)金属辅助化学蚀刻(MACE)法，该方法处理晶体硅晶片的方法已经被广泛研究，再利用模板和非模板方法就可用来制造高度可调硅纳米材料。然而，电子级别的晶片的制造成本相对较高，而用MACE法制造的纳米硅材料的量仍然局限在毫克水平；(3)脉冲激光液相沉积法。该方法在晶粒尺寸和密度分布的控制，最佳实验参数的组合，以及如何与硅平面工艺相兼容等方面仍存在很多问题，这些问题的存在阻碍了硅纳米材料的进一步实用化，而且该方法成本也非常高；(4)碳热还原二氧化硅。该方法还原二氧化硅需要1500°C以上的温度，但是硅的熔点为1410°C，制备的硅粉极易熔化结块，所以采用碳热还原可以制备大块晶体硅，但制备纳米硅不可行；(5)镁热还原二氧化硅。该方法是目前制备纳米硅材料的主要方法，工艺相对简单，由于镁粉价格较昂贵，且在后处理中与盐酸反应比较剧烈，会有爆炸危险，带来安全隐患。
【发明内容】
[0004]本发明的目的为了克服现有技术的缺点，提供了一种工艺简单、成本低、安全性能高和适用于工业大规模生产的一种铝还原制备纳米硅的方法。
[0005]为实现上述目的，本发明提供如下技术方案，该方法包括如下步骤:
[0006]步骤一:室温下，将铝粉和S12粉加入到球磨机中，研磨处理后，得到混合粉末，将上述混合粉末置于刚玉舟中；
[0007]步骤二:将步骤一中所述装有混合粉末的刚玉舟放置于高温炉中，抽真空至0.0lMPa后在氩气的保护下，3?5小时内升温到反应温度，并保持反应温度一定时间后，再自然冷却至室温，停止通氩气，收集反应产物；
[0008]步骤三:向步骤二中所述的反应产物中加入稀盐酸进行反应，除去未反应的铝和副产物氧化铝后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤2?4次，经真空干燥，研细，收集产物；
[0009]步骤四:向步骤三中所述的产物内加入氢氟酸进行反应，除去未反应的S12粉末后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤2?4次，再经真空干燥，研细，即制得纳米娃粉广物。
[0010]所述步骤一中的铝粉的粒径为50?500目，Si02粉的粒径为10?lOOnm。所述步骤一中的铝粉和S12粉的摩尔比为1:3?4:1。所述步骤二中的反应温度700?1200°C，保持反应温度一定时间为:0.5?12小时。所述步骤三中的稀盐酸的体积为:10?500mL，浓度为:0.1?6mo I /L，反应时间为:0.5?24小时。所述步骤四中所述氢氟酸的体积为:1?500mL，浓度为:1?2511101/1，反应时间为:0.5?24小时。
[0011]本发明可规模化制备纳米硅，优点在于:(I)所用原料成本低；(2)操作简单，无危险，可以大规模使用。采用扫描电子显微镜和X射线衍射表征了纳米硅的形貌和结构。结果表明，本发明方法与传统的制备方法相比，具有工艺简单，成本低和安全性能高等优点，对大规模制备纳米硅提供了可行的方法。
【附图说明】
[0012]图1是制备纳米硅粉的外观形貌图；
[0013]图2是实施例1制备得到的纳米硅粉的扫描电子显微镜照片；
[0014]图3是实施例1制备得到的纳米硅粉的X射线衍射照片。
【具体实施方式】
[0015]本发明为一种铝还原制备纳米硅的方法，该方法包括如下步骤:
[0016]步骤一:室温下，将铝粉和S12粉加入到球磨机中，研磨处理后，得到混合粉末，将上述混合粉末置于刚玉舟中；
[0017]步骤二:将步骤一中所述装有混合粉末的刚玉舟放置于高温炉中，抽真空至0.0lMPa后在氩气的保护下，3?5小时内升温到反应温度，并保持反应温度一定时间后，再自然冷却至室温，停止通氩气，收集反应产物；
[0018]步骤三:向步骤二中所述的反应产物中加入稀盐酸进行反应，除去未反应的铝和副产物氧化铝后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤2?4次，经真空干燥，研细，收集产物；
[0019]步骤四:向步骤三中所述的产物内加入氢氟酸进行反应，除去未反应的S12粉末后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤2?4次，再经真空干燥，研细，即制得纳米娃粉广物。
[0020]所述步骤一中的铝粉的粒径为50?500目，Si02粉的粒径为10?lOOnm。所述步骤一中的铝粉和S12粉的摩尔比为1:3?4:1。所述步骤二中的反应温度700?1200°C，保持反应温度一定时间为:0.5?12小时。所述步骤三中的稀盐酸的体积为:10?500mL，浓度为:0.1?6mo I /L，反应时间为:0.5?24小时。所述步骤四中所述氢氟酸的体积为:1?500mL，浓度为:1?2511101/1，反应时间为:0.5?24小时。[0021 ]如图1所示，通过本发明制备出纳米硅粉产物为膨松状黄色粉末。
[0022]为了更加详细的解释本发明，现结合实施例对本发明做进一步阐述。具体实施例如下:
[0023]实施例一
[0024]—种铝还原制备纳米硅的方法，该方法包括如下步骤:
[0025]步骤一:室温下，将铝粉和S12粉加入到球磨机中，研磨处理后，得到混合粉末，将上述混合粉末置于刚玉舟中；
[0026]步骤二:将步骤一中所述装有混合粉末的刚玉舟放置于高温炉中，抽真空至0.0lMPa后在氩气的保护下，5小时内升温到反应温度，并保持反应温度一定时间后，再自然冷却至室温，停止通氩气，收集反应产物；
[0027]步骤三:向步骤二中所述的反应产物中加入稀盐酸进行反应，除去未反应的铝和副产物氧化铝后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤4次，经真空干燥，研细，收集产物；
[0028]步骤四:向步骤三中所述的产物内加入氢氟酸进行反应，除去未反应的Si02粉末后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤4次，再经真空干燥，研细，即制得纳米硅粉产物。
[0029]所述步骤一中的铝粉的粒径为200目，S12粉的粒径为20nm。所述步骤一中的铝粉和S12粉的摩尔比为5:3。所述步骤二中的反应温度1000°C，保持反应温度一定时间为:2小时。所述步骤三中的稀盐酸的体积为:I OOmL，浓度为:0.5moI/L，反应时间为:24小时。所述步骤四中所述氢氟酸的体积为:50mL，浓度为:lmol/L，反应时间为:24小时。
[0030]图2所示为实施例一制备得到的纳米硅粉的扫描电子显微镜照片，由图可以清楚的发现所制备的样品为纳米硅。图3所示为实施例一制备得到的纳米硅粉的X射线衍射照片，与纳米硅的标准衍射图相比，可知实施例一制备的产物为纳米硅。
[0031]实施例二
[0032]—种铝还原制备纳米硅的方法，该方法包括如下步骤:
[0033]步骤一:室温下，将铝粉和S12粉加入到球磨机中，研磨处理后，得到混合粉末，将上述混合粉末置于刚玉舟中；
[0034]步骤二:将步骤一中所述装有混合粉末的刚玉舟放置于高温炉中，抽真空至0.0lMPa后在氩气的保护下，3小时内升温到反应温度，并保持反应温度一定时间后，再自然冷却至室温，停止通氩气，收集反应产物；
[0035]步骤三:向步骤二中所述的反应产物中加入稀盐酸进行反应，除去未反应的铝和副产物氧化铝后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤2次，经真空干燥，研细，收集产物；
[0036]步骤四:向步骤三中所述的产物内加入氢氟酸进行反应，除去未反应的S12粉末后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤2次，再经真空干燥，研细，即制得纳米硅粉产物。
[0037]所述步骤一中的铝粉的粒径为200目，S12粉的粒径为lOOnm。所述步骤一中的铝粉和S12粉的摩尔比为1:1。所述步骤二中的反应温度800°C，保持反应温度一定时间为:4小时。所述步骤三中的稀盐酸的体积为:10mL，浓度为:0.5moI/L，反应时间为:24小时。所述步骤四中所述氢氟酸的体积为:50mL，浓度为:lOmol/L，反应时间为:24小时。
[0038]实施例三
[0039]—种铝还原制备纳米硅的方法，该方法包括如下步骤:
[0040]步骤一:室温下，将铝粉和S12粉加入到球磨机中，研磨处理后，得到混合粉末，将上述混合粉末置于刚玉舟中；
[0041]步骤二:将步骤一中所述装有混合粉末的刚玉舟放置于高温炉中，抽真空至0.0lMPa后在氩气的保护下，4小时内升温到反应温度，并保持反应温度一定时间后，再自然冷却至室温，停止通氩气，收集反应产物；
[0042]步骤三:向步骤二中所述的反应产物中加入稀盐酸进行反应，除去未反应的铝和副产物氧化铝后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤3次，经真空干燥，研细，收集产物；
[0043]步骤四:向步骤三中所述的产物内加入氢氟酸进行反应，除去未反应的S12粉末后进行离心分离，离心分离后将沉淀物用去离子水洗涤3次，再经真空干燥，研细，即制得纳米硅粉产物。
[0044]所述步骤一中的铝粉的粒径为200目，S12粉的粒径为20nm。所述步骤一中的铝粉和S12粉的摩尔比为5:3