一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法技术

本发明专利技术公开了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：将天然硅铝酸盐矿石充分粉碎，在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。将粉末与金属还原剂粉末充分混合，置于气氛管式炉中，隔绝空气或在惰性气体保护下锻烧进行反应。反应完成后的产物经反复洗涤、过滤、烘干后即得多孔单质硅粉末。本发明专利技术很大程度上能够降低反应温度，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，有效提高其所得产物微观结构的多样性，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
为克服现有技术存在的不足，本专利技术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。本专利技术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。本专利技术所提出的利用天然硅铝酸盐制备单质硅粉末的方法，原材料成本低廉，来源极为广泛，制备方法简单。由于硅铝酸盐矿石结构松散，所含杂质易于去除，有利于直接应用或进行进一步加工处理。单质硅的全球需求量极大，应用极广，因此本专利技术具有极强的经济价值和应用前景。附图说明图1为实施例1的多孔硅粉末的X射线衍射谱图；图2为实施例1的多孔硅粉末的氮气吸附一脱附曲线谱图；图3为实施例1的多孔硅粉末的扫描电镜谱图；图4为实施例1的多孔硅粉末的红外振动光谱图；具体实施方式利用硅铝酸盐天然矿石制备多孔单质硅的制备方法的步骤如下：1)去除硅铝酸盐矿石中的杂质，如MgO、CaO等：将硅铝酸盐矿石充分粉碎至1000～10000目，在0.1～1mol/L的稀盐酸溶液中浸泡1～24h。硅铝酸盐矿石由于其结构松散，呈多孔状，其中的氧化物杂质并未进入矿物晶格内部而易于去除。因此，将矿石在稀盐酸中充分浸泡即可去除其中的氧化物杂质，获得主要成分为SiO2和Al2O3的粉末。硅铝酸盐矿石为天然产出的硅质岩石,包括但不仅限于地开石，伊利石，高岭石，钙长石，钾云母，钾长石，黄玉，蓝晶石，夕线石等，其主要成分为SiO2和Al2O3。2)矿石与金属还原剂的反应：将经过步骤1)提纯后的矿石烘干后与一定量的金属还原剂粉末(如金属镁粉、金属钠粉等)充分研磨混合，隔绝空气(指真空度允许范围为0.1～1MPa)或在惰性气体(为高纯氮气或高纯氩气)保护下置于气氛管式炉中，在300～800℃温度下锻烧0.5～12h，将产物冷却后取出。其中，金属还原剂为100～300目的镁粉或将表面液体石蜡擦拭净并剪成具有一定直径尺寸的钠金属颗粒中的某一种。3)单质硅的制备：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并在20000赫兹以上的超声波中进行超声清洗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、离心、过滤，用滤纸将离心管封口在50～150℃范围内保温8～12h烘干后即得多孔单质硅。使用的稀盐酸为市售浓盐酸与无水乙醇按一定体积比混合而得。制备过程中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。采用本方法制备的多孔单质硅可广泛应用于传感、微电子、微光学、燃料电池以及光电材料等方面。下面结合实施例进一步说明本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种利用天然硅铝酸盐矿物制备多孔单质硅粉末的方法，其特征在于，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。
2.如权利要求1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，其特征在于，所述步骤1)中使用的硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：高钱，敖萨仁，胡宏宇，罗宇峰，唐宇洋，崔婷，刘丹，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22