一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法技术

本发明专利技术涉及半导体和太阳能硅材料技术领域，具体地说是一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法。一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法，采用金刚石线在去离子水中切割硅片后所产生的硅粉水溶液作为原材料，制备方法如下：将硅粉水溶液经过提纯获得的水合硅微粒；将水合硅微粒可在氢氟酸与硝酸水溶液中通过化学腐蚀工艺制备出纳米多孔硅微粒；将纳米多孔硅微粒直接进行加热后可制备出高比表面积的纳米多孔水合氧化硅或氧化硅微粒材料，作为高效吸附或过滤材料使用。同现有技术相比，提供一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法，经生产工艺改进后，将硅微粒转化为水合纳米多孔硅和氧化硅微粒，使其得以资源化利用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体和太阳能硅材料
，具体地说是一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法。
技术介绍
多孔硅材料在复合材料、含能材料和储能材料等方面有良好的应用前景；多孔氧化硅材料在吸附、过滤、绝热材料等方面有重要的应用价值。而纳米孔径（1-50 nm）多孔硅和氧化硅因在其高的比表面积，性能优良，应用前景更为广阔。多孔硅颗粒的粒度越小，越易于与其它材料均匀分散或复合，特别是超细（亚微米级）微粒的应用面更广。多孔硅一般采用单晶硅硅片或硅颗粒（数十微米）在氟化氢等溶液中进行化学腐蚀或电化学刻蚀而获得，根据反应调节不同，一般可获得孔径为10-200 nm，孔深1-10 µm的多孔硅片或颗粒。多孔氧化硅颗粒一般采用有机硅氧烷小球（1-100 µm）在高温下将其有机成分氧化分解后获得。此两种方法因原材料成本高昂，若用于纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备则成本更高，故一般用于实验室研究或小量的制备，很难实现低成本批量化的工业生产。另一方面，在制备半导体和太阳能光伏用的高纯硅片时，在切割高纯硅棒后会产生大量硅微粒材料，所产生的硅微粒占整个硅棒材料的30-40%，一般作为废料处理。随着太阳能光伏产业的高速发展，在生产大量硅片的同时，伴随着产生了大量的含水硅微粒废料，后续处理成本高且易造成环境污染。若能将此类含硅微粒的废料转化为纳米多孔硅或氧化硅微粒，可显著降低环境污染风险和硅片生产的综合成本，促进半导体和太阳能光伏产业的绿色发展。
技术实现思路
本专利技术为克服现有技术的不足，提供一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法，经生产工艺改进后，将硅微粒转化为水合纳米多孔硅和氧化硅微粒，使其得以资源化利用。为实现上述目的，设计一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法，采用金刚石线在去离子水中切割硅片后所产生的硅粉水溶液作为原材料，其特征在于：所述的制备方法如下：（1）将硅粉水溶液经过提纯获得的水合硅微粒，水合硅微粒的尺寸为100~1000nm；（2）将水合硅微粒可在氢氟酸与硝酸水溶液中通过化学腐蚀工艺制备出纳米多孔硅微粒，纳米孔径分布为2~30nm；（3）或者将水合硅微粒可在氢氟酸与乙醇的水溶液中通过电化学腐蚀工艺制备出纳米多孔硅微粒，纳米孔径分布为2~50nm；（4）将纳米多孔硅微粒直接进行加热后可制备出高比表面积的纳米多孔水合氧化硅或氧化硅微粒材料，作为高效吸附或过滤材料使用。所述的水合硅微粒是由纯度在99%以上的硅微粒和表面吸附的水分子组成，水与硅的比例为20~30wt%，已潮湿形态存在。所述的化学腐蚀工艺是在水合硅微粒中加入含氢氟酸和硝酸的水溶液，氢氟酸、硝酸及水的百分比浓度为20vol%:5 vol%:100 vol%，水合硅微粒与酸溶液的配比为10 wt%:1 wt%，在超声波作用下反应5~20min。所述的电化学腐蚀工艺，以金属铂丝或片作为电化学电容器的阴阳电极，在水合硅微粒中加入氢氟酸与乙醇的水溶液，氢氟酸、乙醇及水的百分比浓度为3 vol%:1 vol%:5 vol%，水合硅微粒与酸溶液的配比为10 wt%:3wt%；在电极上加脉冲直流电场，电流密度为1~30mA/cm2，在加超声波作用下反应1~5min。所述的纳米多孔硅微粒可用于高能量密度的含能材料。所述的纳米多孔硅微粒可用于高容量和高能量密度的充电电池或电容的电极材料。所述的纳米多孔硅微粒直接在氮氢，N2:H2=95:5%的气氛下加温至1400℃进行氮化处理后，可制备出高比表面积的纳米多孔氮化硅微粒材料，作为高性能陶瓷材料。所述的纳米多孔硅微粒直接在含碳氢的氩气，C2H2:Ar=10:90 %的氛下加温至1200℃进行碳化处理后，可制备出高比表面积的纳米多孔碳化硅微粒材料，作为高性能陶瓷材料。本专利技术同现有技术相比，提供一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法，经生产工艺改进后，将硅微粒转化为水合纳米多孔硅和氧化硅微粒，使其得以资源化利用。本专利技术具有原料成本极低、易于规模化生产和应用；采用本专利技术的工艺性能稳定，一致性好，具有良好的性价比；同时，通过本专利技术可大幅降低半导体硅片或太阳能光伏硅片的综合生产成本，有效促进产业发展，为硅材料的应用开拓了一条新的应用技术路线。附图说明图1本专利技术的化学腐蚀法纳米多孔硅微粒的典型电镜SEM形貌图。图2为本专利技术的电化学反应装置示意图。1为Pt电极；2为双极脉冲电源；3为纳米硅微粒与HF的混合溶液；4为超声波发生器。图3为本专利技术的电化学腐蚀法纳米多孔硅微粒的典型电镜SEM形貌图。具体实施方式下面根据附图对本专利技术做进一步的说明。采用金刚石线在去离子水中切割硅片后所产生的硅粉水溶液作为原材料，制备方法如下：（1）将硅粉水溶液经过提纯获得的水合硅微粒，水合硅微粒的尺寸为100~1000nm；（2）将水合硅微粒可在氢氟酸与硝酸水溶液中通过化学腐蚀工艺制备出纳米多孔硅微粒，纳米孔径分布为2~30nm；（3）或者将水合硅微粒可在氢氟酸与乙醇的水溶液中通过电化学腐蚀工艺制备出纳米多孔硅微粒，纳米孔径分布为2~50nm；（4）将纳米多孔硅微粒直接进行加热后可制备出高比表面积的纳米多孔水合氧化硅或氧化硅微粒材料，作为高效吸附或过滤材料使用。水合硅微粒是由纯度在99%以上的硅微粒和表面吸附的水分子组成，水与硅的比例为20~30wt%，已潮湿形态存在。化学腐蚀工艺是在水合硅微粒中加入含氢氟酸和硝酸的水溶液，氢氟酸、硝酸及水的百分比浓度为20vol%:5 vol%:100 vol%，水合硅微粒与酸溶液的配比为10 wt%:1 wt%，在超声波作用下反应5~20min。电化学腐蚀工艺，以金属铂丝或片作为电化学电容器的阴阳电极，在水合硅微粒中加入氢氟酸与乙醇的水溶液，氢氟酸、乙醇及水的百分比浓度为3 vol%:1 vol%:5 vol%，水合硅微粒与酸溶液的配比为10 wt%:3wt%；在电极上加脉冲直流电场，电流密度为1~30mA/cm2，在加超声波作用下反应1~5min。纳米多孔硅微粒可用于高能量密度的含能材料。纳米多孔硅微粒可用于高容量和高能量密度的充电电池或电容的电极材料。纳米多孔硅微粒直接在氮氢，N2:H2=95:5%的气氛下加温至1400℃进行氮化处理后，可制备出高比表面积的纳米多孔氮化硅微粒材料，作为高性能陶瓷材料。纳米多孔硅微粒直接在含碳氢的氩气，C2H2:Ar=10:90 %的氛下加温至1200℃进行碳化处理后，可制备出高比表面积的纳米多孔碳化硅微粒材料，作为高性能陶瓷材料。本专利技术采用改进的微细金刚石线，线径为30~120微米，切割工艺在去离子水作用下对高纯硅棒进行切割研磨生产硅片，同时在切割研磨过程中产生的含有硅微粒的废水进行压滤将水分离后，获得含水的硅微粒-水合硅微粒。以水合硅微粒为原料进一步将其转化为纳米多孔硅和氧化硅微粒，以实现废料的资源化利用。本专利技术的方法所采用的含水硅微粒，主要由高纯硅微粒和表面吸附的水组成，尺寸在100~1000 nm范围，纯度为99%以上，硅微粒表面在工艺过程中会形成有一薄层氧化硅(<1nm)。因形成的氧化硅层为极性分子，与水分子易结合，形成了水合硅微粒（Si-nH2O），含水量约在20~30%。呈现湿润的泥状形态，空气中较为稳定。本专利技术的纳米多孔硅超细微粒可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法，采用金刚石线在去离子水中切割硅片后所产生的硅粉水溶液作为原材料，其特征在于：所述的制备方法如下：（1）将硅粉水溶液经过提纯获得的水合硅微粒，水合硅微粒的尺寸为100~1000nm；（2）将水合硅微粒可在氢氟酸与硝酸的水溶液中通过化学腐蚀工艺制备出纳米多孔硅微粒，纳米孔径分布为2~30nm；（3）或者将水合硅微粒可在氢氟酸与乙醇的水溶液中通过电化学腐蚀工艺制备出纳米多孔硅微粒，纳米孔径分布为2~50nm；（4）将纳米多孔硅微粒直接进行加热后可制备出高比表面积的纳米多孔水合氧化硅或氧化硅微粒材料，作为高效吸附或过滤材料使用。

【技术特征摘要】
1.一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法，采用金刚石线在去离子水中切割硅片后所产生的硅粉水溶液作为原材料，其特征在于：所述的制备方法如下：（1）将硅粉水溶液经过提纯获得的水合硅微粒，水合硅微粒的尺寸为100~1000nm；（2）将水合硅微粒可在氢氟酸与硝酸的水溶液中通过化学腐蚀工艺制备出纳米多孔硅微粒，纳米孔径分布为2~30nm；（3）或者将水合硅微粒可在氢氟酸与乙醇的水溶液中通过电化学腐蚀工艺制备出纳米多孔硅微粒，纳米孔径分布为2~50nm；（4）将纳米多孔硅微粒直接进行加热后可制备出高比表面积的纳米多孔水合氧化硅或氧化硅微粒材料，作为高效吸附或过滤材料使用。2.根据权利要求1所述的一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法，其特征在于：所述的水合硅微粒是由纯度在99%以上的硅微粒和表面吸附的水分子组成，水与硅的比例为20~30wt%，已潮湿形态存在。3.根据权利要求1所述的一种低成本纳米多孔硅和氧化硅超细微粒的制备方法，其特征在于：所述的化学腐蚀工艺是在水合硅微粒中加入含氢氟酸和硝酸的水溶液，氢氟酸、硝酸及水的百分比浓度为20vol%:5 vol%:100 vol%，水合硅微粒与酸溶液的配比为10 wt%:1 wt%，在超声波作用下反应5~20min。4.根据权利要求1所述的一种低成本纳米多孔硅和氧化硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙卓，刘素霞，
申请(专利权)人：上海纳晶科技有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31