[发明专利]锌还原四氯化硅制备纳米硅粉颗粒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米硅颗粒的制备方法，尤其涉及一种锌还原四氯化硅制备纳米硅颗粒的制备方法。

背景技术

纳米硅颗粒由于具有纯度高、粒径小、分布均匀、比表面积大，高表面活性，松装密度低，活性好等特点。在多个领域有着广泛的用途。纳米硅粉作为新一代光电半导体材料之一，具有较宽的间隙能半导体，也是高功率光源材料。当纳米硅颗粒的直径降到1nm时显现出激发发光的性质，具有极高的光活性和荧光活性，因此低维纳米小颗粒在生物医学方面也有着重要的应用。纳米的硅粉颗粒还可以用在锂离子电池的负极材料，硅材料作为替代石墨具有以下的优势，硅具有很高的容量优势，硅与锂反应可得到                                                、、和等，和的理论容量分别为4200mAh/g 和3580mAh/g,另外硅材料的放电平台略高于碳材料，在充放电过程中不易引起锂枝晶在电极表面的形成，安全性较好。

制备硅纳米颗粒方法较多，其中包括硅烷气体的分解，采用等离子气相沉积（PECVD）、热丝化学气相沉积（HFCVD）或激光烧蚀沉积（LCVD）等方法使硅烷分解为H₂硅粉颗粒。这些方法均存在制备工艺复杂，成本较高等不足。

还有一种制备硅纳米颗粒的方法，利用阳极氧化法制备纳米硅颗粒，该方法将硅片固定在腐蚀槽底部，硅片的背面与金属底座接触，底座接阳极；配制腐蚀液，将腐蚀液注入到腐蚀槽内，连接阴极的铂金电极或石墨棒电极插入腐蚀液中；接通电源，电流密度控制在10-300mA/cm²范围，时间为5-30分钟，关闭电源，取出硅片并用纯水轻轻冲洗，便可收集到硅片表面上的纳米硅颗粒。这种方法制得纳米颗粒均在1nm以下。这些颗粒可以被做成晶体或薄膜。该方法的特点是，电流垂直硅表面随机穿过硅片，在腐蚀液的作用下，硅表面沿电流线的地方被腐蚀出小孔，小孔扩大并相互连通成网，使硅晶体变成多孔的纳米硅体系，这些纳米硅从硅片上取下后，自然或人工崩裂，可变成超小纳米硅颗粒。然而这种工艺也比较复杂，成本仍然较高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种廉价的锌还原四氯化硅制备纳米硅颗粒的方法。该方法采用廉价的多晶硅副产物四氯化硅与锌反应，操作简单，得到的纳米硅粉粒径较小，分布均一，对于推动纳米硅材料的研究与产业化应用具有一定的意义。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种锌还原四氯化硅制备纳米硅粉颗粒的方法，步骤如下：金属锌粒经过熔融气化器变为锌蒸气，在氩气做保护气和载气的条件下带入管式反应器中，四氯化硅液态的形式缓慢引入到管式反应器中气化后与锌反应，生成的硅粉颗粒及氯化锌副产物在氩气的推动下进入到冷却沉积器中冷却沉积，冷却沉积而得的硅粉颗粒与氯化锌被硅粉收集器收集，经过酸洗和真空冷冻干燥处理，即得到纳米硅粉颗粒；未冷却沉积的尾气被尾气吸收器吸收。

优选的，所述金属锌纯度为4N以上，所述金属锌是连续化进料经过熔融气化器变为锌蒸气的。

优选的，所述氩气在反应开始之前，对系统装置进行置换吹扫。

优选的，所述熔融气化器为耐高温耐腐蚀的石英材质，为水平圆筒形，外部加热保持温度在950～1050℃；所述熔融气化器侧面设置有倾斜的石英细长导管，可将锌粒引入到熔融气化器中，同时在该石英细长导管口导入氩气保护。

优选的，所述管式反应器也为耐高温耐腐蚀的石英材质，为长管形，外部加热保持温度为950～1050℃；四氯化硅通过所述管式反应器上部设置的石英导管缓慢地引入管式反应器中；所述管式反应器与熔融气化器为石英法兰连接。

优选的，所述冷却沉积器为高温耐腐蚀的石英材质，为长筒形；其与所述管式反应器为石英法兰连接。

优选的，所述尾气收集器为碱液吸收器，其材质为PVC的圆筒；所述尾气收集器与冷却沉积器为PVC软管连接。

优选的，所述硅粉收集器为石英材质的圆筒，其与所述冷却沉积器为石英法兰连接。

优选的，所述酸洗具体为：将硅粉颗粒与氯化锌的混和物分别依次用20%的盐酸、10%的盐酸、20%的氢氟酸、及高纯水浸反复超声浸泡清洗。

优选的，所述真空冷冻干燥具体为：将湿的纳米硅粉颗粒用液氮冷冻，在真空冷冻干燥机上抽干。

优选的，所述锌、四氯化硅的摩尔比为2.1:1。

优选的，所述装置间用石英法兰连接时，中间垫衬石英棉密封层，同时采用耐高温、耐腐蚀的三氧二铝陶瓷螺栓紧固。