一种蜂窝状三维多孔硅材料及其制备方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106115710A(43)申请公布日2016.11.16(21)申请号201610445391.7(22)申请日2016.06.17(71)申请人中国科学院宁波材料技术与工程研究所地址315201浙江省宁波市镇海区中官西路1219号(72)发明人程亚军左秀霞朱锦(74)专利代理机构杭州君度专利代理事务所(特殊普通合伙)33240代理人杜军(51)Int.Cl.C01B33/023(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图1页(54)发明名称一种蜂窝状三维多孔硅材料及其制备方法(57)摘要本发明公开一种蜂窝状三维多孔硅材料及其制备方法。采用球形二氧化硅纳米粒子为硅源，在高于常温常压下镁熔点以上温度范围(950～1050℃)进行镁热还原。高温下一方面二氧化硅发生颗粒之间的烧结而发生粘连；另外一方面，镁发生熔融，镁蒸汽将二氧化硅完全还原为单质硅，从而形成三维蜂窝状连续多孔硅结构。该发明方法无需氢氟酸刻蚀，避免了有毒试剂的使用，工艺简单快捷，环保，条件可控，重复性好。CN106115710ACN106115710A权利要求书1/1页1.一种硅材料，其特征在于该材料呈蜂窝状三维多孔结构，且相互连成一体，呈现微米尺寸；上述硅材料采用80～800nm球形二氧化硅纳米粒子为硅源，在950～1050℃下通过镁热还原为单质硅而形成。2.一种硅材料的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：步骤(1)、制备二氧化硅：采用Stober法在醇相介质中，用氨水催化正硅酸四丁酯(TEOS)，经过水解-缩合形成单分散的球形二氧化硅粒子，通过调节pH值控制粒径在80～800纳米；步骤(2)、常温下将上述二氧化硅与镁粉按照质量比1:(0.5～1.5)手动混合，得到二氧化硅与镁的混合物；步骤(3)、将上述二氧化硅与镁的混合物封装于坩埚中置于管式炉中加热至950～1050℃，惰性气氛下恒温反应1～24小时，然后降至室温，得到还原粗产物；步骤(4)、将还原粗产物置于浓度为0.5～2mol/L的稀盐酸中常温下搅拌4～24小时，离心得到固体产物，水洗数次，干燥后得到蜂窝状三维连续多孔硅材料；该多孔硅材料是蜂窝状三维多孔结构，且相互连成一体，呈现微米尺寸。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于步骤(3)所述惰性气氛可以为氮气、氩气、氩气/氢气混合气体。4.如权利要求1所述的一种硅材料，在作为锂电池负极材料中的应用。2CN106115710A说明书1/4页一种蜂窝状三维多孔硅材料及其制备方法技术领域[0001]本发明属于无机纳米多孔材料的制备领域，具体涉及一种蜂窝状三维多孔硅材料及其制备方法。背景技术[0002]多孔硅是指以硅纳米晶粒为骨架的含大量孔道结构的硅材料，由于其拥有极大的内表面积、广泛的孔径尺寸、独特的光电功能和化学性质、高的生物活性等特点，在光伏器件、传感器、光探测器、二次电池、生物医学、含能材料等领域显示出广阔的应用前景。[0003]相比于零维、一维和二维的多孔硅而言，三维蜂窝状多孔硅孔结构尺寸均一、排列有序、连续硅基质连接紧密，结构稳定，并且具有较高的振实密度。作为锂离子电池负极材料具有很好的应用前景。一方面能够充分容纳硅负极在脱嵌锂过程中产生的体积膨胀，大幅改善硅负极循环性能，另外一方面，孔尺寸分布均匀有利于减少大量微孔存在导致的不可逆脱嵌锂过程，从而提高其首次库仑效率。此外，较高的振实密度有利于提高锂离子电池体积比容量和能量密度。[0004]目前有关三维结构蜂窝状多孔硅的报道较为少见，专利CN201110192366.X和专利CN201410614941.4报道了一种三维多孔硅的制备方法，均以硅粉作为原料，所得多孔硅并非蜂窝状连续结构。专利CN201110149645.8报道了用镁热还原硅氧化物制备自支撑多孔硅材料，其中提到采用一氧化硅作为原料，经过低温镁热还原得到类似蜂窝状的多孔硅。所用一氧化硅价格昂贵，稳定性差，高温下自身容易发生歧化反应。而采用二氧化硅作为原料，高温镁热还原产物仅仅得到普通多孔硅结构。[0005]本发明提出采用二氧化硅纳米粒子作为原料，通过控制镁热还原温度范围，制备蜂窝状三维连续多孔硅材料，并用于锂离子电池负极材料。发明内容[0006]本发明的一个目的是针对现有技术的不足，提供一种简便易行的蜂窝状三维连续多孔硅材料。[0007]该多孔硅材料是蜂窝状三维多孔结构，且相互连成一体，呈现微米尺寸；上述硅材料采用80～800nm球形二氧化硅纳米粒子为硅源，在950～1050℃下通过镁热还原还原为单质硅从而形成。[0008]本发明的另一个目的是提供上述蜂窝状三维多孔硅材料的制备方法。[0009]本发明主要内容是采用球形二氧化硅纳米粒子为硅源，在高于常温常压下镁