[发明专利]一种还原剂可控制备多孔硅材料的方法

说明书

本发明涉及一种多孔硅材料的可控制备方法，以硅的氧化物SiO_x为主要原料，硼化镁为还原剂，通过镁热还原反应得到单质硅和氧化镁等混合物，经酸洗后得到多孔硅材料。本发明制备的多孔硅材料保留了原始材料的典型形貌特征，并展现出丰富的介孔结构。这种独特的可调控的多孔结构，不仅能有效缓解体积变化引起的机械应变，而且有利于提高电化学反应过程的传输动力学。同时，本发明具有制备工艺简单、反应可控和可通用策略等优势。通过该法制备的微米和纳米多孔硅材料在锂离子电池等新能源领域具有潜在的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种还原剂可控制备多孔硅材料及其合成方法。

背景技术

作为材料领域的重要分支，多孔硅材料因其丰富的结构和形貌、可调的孔径大小、高的比表面积和良好的生物兼容性等突出优势，已被广泛应用于吸附和分离、能源存储与转化、生物医学等领域。

近年来关于多孔硅的制备方法有很多，然而不同的制备方法和实验条件对多孔硅结构及性能有很大的影响。1956年，美国贝尔实验室Uhlir首次发现并报道了通过电化学腐蚀法制备多孔硅薄膜。但是，电化学腐蚀法采用单质硅作为前驱体，制造成本高。随后，研究者们又先后开发了一系列多孔硅的制备方法，包括化学刻蚀法、电化学还原法、真空蒸馏法、化学脱合金法和金属热还原法等。例如：公开号为CN103288087B的专利文献公开了一种采用化学-电化学腐蚀相结合的方法制备多孔硅，但是这种方法在制备过程中的非硅组分(如铝、镁、钙、铁等)容易水解，所制备的多孔硅杂质含量较高。公开号为CN113003577A的专利文献公开了将硅化镁合金进行热处理后再经惰性气氛保护高温处理，或经低压低温处理制备出孔隙率可控的多孔硅，虽然该制备方法工艺简单且成本较低，但是硅合金中硅含量低，导致低收益率产品。

相比而言，金属热还原法是一种环境友好的绿色合成多孔硅的方法，以氧化硅为原料，可用于制备各种先进的微/纳米多孔硅材料，并广泛应用于能源存储与转化领域。公开号为CN 110642253A的专利文献公开了一种铝热还原制备纳米多孔硅的方法，所制备的纳米多孔硅可作为负极材料应用于锂离子电池；公开号为CN 110371982A的专利文献提供了一种熔盐镁热还原纳米二氧化硅的方法；以上专利因为熔盐的加入有效控制了反应温度，吸收了部分金属还原反应中突然释放的热量，却增加了额外的处理及回收步骤。公开号为CN112850716A的专利文献公开了一种镁热还原制备纳米多孔硅方法，虽然所得多孔硅纯度较高，但该法用L-赖氨酸作为正硅酸乙酯水解和缩合的催化剂，从而增加了成本。因此，开发能可控制备多孔硅材料的新方法，对获得具有优异性能的多孔硅产品具有至关重要的意义。

发明内容

针对现有技术，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种还原剂可控制备多孔硅材料的方法。以硅的氧化物SiO_x为原料，硼化镁为还原剂，通过镁热还原反应得到单质硅和氧化镁的混合物，经酸洗后得到多孔硅材料。本发明制备的多孔硅材料保留了原始材料的典型形貌特征，并展现出丰富的介孔结构。这种独特的可调控的多孔结构，不仅能有效缓解体积变化引起的机械应变，而且有利于提高电化学反应过程的传输动力学。同时，本发明具有制备工艺简单、反应可控和可通用策略等优势。通过该法制备的微米和纳米多孔硅材料在锂离子电池等新能源领域具有潜在的应用前景。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种还原剂制备多孔硅材料的方法，其步骤如下：

(1)采用硅的氧化物SiO_x作为原料，将硅的氧化物SiO_x与还原剂均匀混合，其中x＝0.5～2，混合物中硅的氧化物SiO_x与还原剂的质量比为1:(0.5～3.0)；

(2)将所述步骤(1)中制得的混合物在惰性气氛下加热至400～950℃，并恒温保持0.5～12h，进行还原反应；然后在惰性气氛下冷却至室温，得到固体产物。