[发明专利]一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种单质硅粉末的制备方法，具体是一种以天然硅铝酸盐矿物为原料，利用金属热还原制备多孔单质硅粉末的方法。

背景技术

单质硅材料以其独特的海绵状的孔道结构，特殊的导电性能，较大的比表面积，较高的压阻系数，特殊的光致发光现象，使得其在传感，微电子，微光学，燃料电池以及光电材料应用方面有着自己的一席之地。同时多孔硅材料拥有着良好的生物降解性及生物相容性，使得其作为药物缓释剂载体和生物传感器等药用材料方面也有独特的贡献。这些优点使单质硅成为了广大研究人员竞相研究的对象。一直以来制备单质硅主要方法为电化学腐蚀法，但由于其制备工艺繁琐、造价昂贵、副产物的环境污染严重等问题，同时得到的产物多以薄膜形式存在且孔结构均匀性较差，因此开发新型、简便、易于操作的多孔硅粉末制备方法成为亟待解决的问题之一。

以镁热法为代表的金属热还原法是近年来出现的一种新型制备多孔硅材料的方法，由于其工艺流程简单，造价低廉，副产物便于处理，得到的多孔硅材料均一性较好等优点，因而得到了广泛关注。镁热法制备多孔硅多采用SiO₂质的天然矿物，例如硅藻土和蛋白石等，或人工合成的SiO₂分子筛为模板。硅酸盐矿物在自然界分布极为广泛，已知硅酸盐矿物有600余种，构成了地壳岩石圈总重量的约85％。其中铝硅酸盐天然矿石为硅酸盐矿物中重要一部分，其主要成分为SiO₂和Al₂O₃，含有少量钠离子、铁离子等金属阳离子以及硫化物等杂质。天然硅铝酸盐矿产丰富，且种类繁多，常见的包括地开石、伊利石、高岭石、钙长石、钾云母、钾长石等等。不同种类的硅铝酸盐矿物的内部分子结构不同，因此以其为原料可以获得多种不同孔道结构的多孔单质硅粉末。此外，与以二氧化硅为原料制备单质硅不同，硅铝酸盐矿物中除得SiO₂还含有大量Al₂O₃，而在制备单质硅的过程中这些Al₂O₃也会随之除去，从而创造出具有大比表面积和更多孔结构的单质硅粉末。

发明内容

为克服现有技术存在的不足，本发明提供一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法，能够降低成本，有效提高其所得产物微观结构，并将反应所用的硅源材料从SiO₂质原料扩大到天然硅铝酸盐矿物，同时该方法中的还原金属也不仅仅局限于镁，金属钠同样适用。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

提供一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法，包括以下步骤：

1)将硅铝酸盐矿石充分粉碎，在0.1～1mol/L的稀盐酸溶液中浸泡去除杂质，获得主要成分为SiO₂和Al₂O₃的粉末；

2)将步骤1)的产物烘干后与金属还原剂粉末按摩尔比为1：1～1：10共同研磨使其充分混合，放入气氛管式炉中，隔绝空气或在惰性气体保护下于300～800℃下锻烧0.5～12h，冷却后取出；

3)将步骤2)反应完成后的产物在0.1～1mol/L的稀盐酸溶液或乙醇溶液中浸泡1～24h并进行超声清洗5～60min；将超声清洗后的黑色固体依次浸入蒸馏水、稀HCl溶液、HF溶液中进行反复酸洗、过滤，烘干后即得多孔单质硅。使用蒸馏水洗涤的目的是为了去除反应中的硅酸钠、铝酸钠等副产物；酸洗的目的是为了去除反应中的MgO及Mg₂Si等副产物。

所述的一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法，步骤1)中使用的硅铝酸盐矿石为天然产出的硅质岩石，其主要成分为SiO₂和Al₂O₃。

所述的一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法，硅铝酸盐矿石为地开石、伊利石、高岭石、钙长石、钾云母、钾长石、黄玉、蓝晶石或夕线石中的一种。

所述的一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法，步骤2)中使用的金属还原剂为单质镁粉或将表面液体石蜡擦拭净并具有一定直径尺寸的钠金属颗粒。

所述的一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法，步骤2)中使用的惰性气体为高纯氮气或高纯氩气。

所述的一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法，步骤3)中的超声清洗是指在20000赫兹以上的超声波中清洗。