[发明专利]一种三维多孔硅材料的制备方法

说明书

一种三维多孔硅材料的制备方法，以低沸点金属为造孔剂与硅源进行熔融反应或固相扩散反应以得到合金，而后以物理方法脱出合金中的造孔剂，即获得三维多孔硅材料。本发明采用低沸点金属作为造孔剂与硅源反应结合在一起后，再利用物理方法脱除低沸点金属，即得到三维多孔硅材料，相比较于化学腐蚀方法，不仅没有利用任何化学品、硅材料也没有损失，而且成本低、环保，也方便大规模批量化生产，是一种绿色环保生产工艺，无污染排放问题，而且使用的造孔剂经加工处理后循环使用，大幅度降低了生产成本。

技术领域

本发明涉及到真空冶金和多孔材料领域，具体的说是一种三维多孔硅材料的制备方法。

背景技术

硅作为锂离子电池负极材料具有高容量储锂特性，但存在锂离子嵌入时体积膨胀过大，导致充放电过程中的破裂与粉化，电池的循环稳定性差。将硅材料三维多孔化是解决硅材料在锂离子电池中应用的重要途径。

硅材料具有优异的化学稳定性和生物安全性。三维多孔结构的硅材料在药物载体、催化载体、特殊过滤方面有特别应用价值。

采用电化学腐蚀或染色化学腐蚀方法可以在硅片上制备三维多孔硅，但是腐蚀的深度有限，通常不超过数十微米。采用染色化学腐蚀方法处理硅粉，可以获得三维多孔硅粉，如申请号为CN2015101481713、CN2016103727089、CN2016111851143、CN2016111614218的专利文件等所公开的内容。但是，采用腐蚀法获得多孔材料，要消耗大量的氢氟酸、硝酸等有害化学品，硅材料本身也要大量损失，成本高，不环保，不易大规模量产。

申请号为CN2014102764132的发明专利公开了一种多孔硅-碳复合材料的制备方法，其中提到了多孔硅的制备方法，先制备硅-活泼金属合金，而后再用该合金与液相造孔剂进行反应，以除去活泼金属得到多孔硅纳米材料，再用氢氟酸清洗多孔硅纳米材料以去除氧化硅；在其中液相造孔剂是能与活泼金属反应而不与单质硅反应的溶液；也就是说，从本质上来说，该专利实际上也是利用了化学腐蚀的方法来获得多孔硅，这样不可避免的会存在上述的缺陷；

申请号为CN2015109222810的发明专利提出了一种去合金化方法，先将硅粉与镁粉共烧制成合金粉末，然后将合金粉末与金属氯化物熔盐一起熔化腐蚀合金元素镁，再将产物用盐酸浸泡去除氯化物，净洗烘干后得到纳米多孔硅。这种方法本质上也是通过腐蚀去合金化，存在同样的缺点；

申请号为2016105470638的发明专利公开了一种原镁冶炼同时制备多孔硅的方法，其中公开了利用镁蒸气与纯化硅藻土在高温下发生氧化还原反应得到多孔硅，但实际上通过阅读整篇文件，制备多孔硅还必须在酸性溶液中洗涤才可以，而这个洗涤过程实际上也是化学腐蚀去除镁的过程；

申请号为2016110399407的发明专利公开了一种多孔硅电极材料，其中记载了将镁粉与介孔二氧化硅的混合物压制成型后进行镁热反应得到；且不说其利用的介孔二氧化硅与一般的二氧化硅不同，其内部本身具有大量的介孔，而且在进行完镁热反应后，说明书第0008段中还提到了洗去氧化镁，得到大孔的多孔硅材料，也就是说，采用镁热反应制备的多孔硅材料，也需要进行化学腐蚀来去除其中的氧化镁；

申请号为2016104453917的发明专利公开了一种蜂窝状三维多孔硅材料，先制备纳米尺度的单分散球形二氧化硅粒子，而后将其与镁粉混合后在高温下还原得到粗产物，再将粗产物在稀盐酸中反应得到产品；其实质也是利用镁粉高温还原二氧化硅，然后用化学腐蚀的方法得到多孔硅材料，同样也存在着化学腐蚀的缺陷；

申请号为CN2017102423470的发明专利公开了一种纳米多孔硅材料的方法，先将铝、铜和硅原料通过电磁感应熔化成均匀的合金溶体，然后通过快速凝固设备获得淬火的合金薄带，再用硝酸溶液选择性腐蚀去掉铝和铜，获得纳米多孔硅材料。该方法也是通过腐蚀去合金化方法来获取多孔硅的，同样存在上述缺点。