凹凸棒土基多孔硅纳米线材料的一种球磨制备方法技术

凹凸棒土基多孔硅纳米线材料的一种球磨制备方法，属于纳米电极材料的制备技术领域。将含凹凸棒土的溶液超声处理后过滤或者离心，然后干燥取得干燥的凹凸棒土，再将凹凸棒土与三氯化铝、铝粉或者铝粉和镁粉的混合物，取得含凹凸棒土的混合物；将含凹凸棒土的混合物置于球磨机内，在氩气条件下进行研磨、冷却至温室，收集产物，用稀盐酸浸泡后，用蒸馏水洗涤，即得凹凸棒土基多孔硅纳米线。本发明专利技术工艺过程简单，原材料价格低廉、产率高，且利用固相反应制备有利于工业化生产，并获得优异的电化学性能的成果。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于纳米电极材料的制备

技术介绍
随着社会的快速发展，人类对能源的需求与日俱增。以煤、石油、天然气为主的化石能源及其他不可再生能源逐渐消耗，使环境质量大幅下降，生态环境问题也日益严峻，这都是当今亟待解决的难题。因此，如何提高能源利用效率和开发可再生的清洁新能源（如纯电动汽车）的问题成为人们日益关注的焦点。在此背景下，新型化学储能装置(如二次电池等)倍受青睐。与之相比，二次电池中的锂离子电池工作具有电压高、放电容量高、循环寿命长以及安全性能好等优点。锂离子电池石墨碳负极材料理论比容量只有372mAh/g，且倍率性能差，振实密度小，无法满足高比能量锂离子电池的需求。因而，寻找高比容量的负极材料来替代石墨势在必行。硅具有高达4200mAh/g的理论比容量和适中的电压平台，是最有希望替代石墨的锂离子电池负极材料之一。然而，硅在循环过程中不仅存在严重体积效应（达300%以上），也易导致硅颗粒粉碎，迫使电极结构崩塌，且硅的导电性差，这些缺点使硅基负极材料在实际应用中受到很大阻碍。制备纳米级材料，可以显著地改善硅基负极材料的电化学性能，但目前这类纳米多孔硅的制备成本高，工艺复杂，难以规模化生产。另外，制备纳米多孔硅材料通常需要较高的温度，即使使用镁热还原技术也需要高于550℃。例如：ZhihaoBao（RSCAdv.,2013,3(26):10145-10149）和YiCui（Sci.Rep.,2013,3:1919-1925）两个课题组以农产品稻壳为多孔硅源，采用镁热还原技术制备多孔硅材料，并获得优异的电化学性能。另外，JaephilCho(Angew.Chem.Int.Ed.,2008,47(52):10151-10154)小组结合二氧化硅作模板和萘钠还原SiCl4制备3-D多孔硅，在1C倍率下，100次循环后可逆容量高达2800mAh/g。但是，此方法不仅复杂且成本较高。针对以上问题，本专利技术立足于环境友好型制备方法和选择廉价原材料，特别是通过简易的球磨法制备多孔硅纳米线材料的方法。凹凸棒是一种天然非金属粘土矿物，独特的层状及链式结构赋予它特殊的性能，使其广泛应用于各个行业。凹凸棒的矿物特征凹凸棒石（Attapulgite）又称坡缕石（Paly-gorskite），是一种层链状结构的含水富镁铝多孔硅酸盐粘土矿物，在矿物学上隶属于海泡石族。是中国学者许冀泉等在1976年，中国江苏省六合县竹镇小盘山发现凹凸棒土矿，随后相继在江苏盱眙、安徽明光等地发现该矿。其理想分子式为：Mg5(H2O)4[Si4O10]2(OH)2，理论的化学成分质量分数为：SiO256.96%，(Mg,Al,Fe)O23.83%，H2O19.21%。凹凸棒土结构中存在晶格置换，晶体中含有不定量的Na+、Ca2+、Fe3+、Al3+，晶体呈针状，纤维状或纤维集合状，并具有一定的可塑性及粘结力。晶体结构单元层由8个Si-O四面体以2∶1型层状排列，其中的Si4+可以少量被Fe3+及Al3+离子替代，Mg2+可以少量被Fe2+,Fe3+和Al3+离子替代。各种离子替代的综合结果是凹凸棒土常常带少量的负电荷，此种电荷属于结构电荷具有介于链状结构和层状结构之间的中间结构。凹凸棒土呈土状、致密块状产于沉积岩和风化壳中，土质细腻，有油脂滑感、质轻、性脆、断口呈贝壳状或参差状，吸水性强，颜色呈白色，灰白色，青灰色，灰绿色或弱丝绢光泽。凹凸棒土具有许多特殊优异的性能，以吸附剂、粘结剂、助剂、添加剂、催化剂载体等形式被广泛应用于脱色及水处理、建材、轻工、纺织、地质勘探等行业。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种凹凸棒土基多孔硅纳米线材料的球磨制备方法。本专利技术包括如下步骤：1）将含凹凸棒土的溶液超声处理后过滤或者离心，然后干燥取得干燥的凹凸棒土，再将凹凸棒土与三氯化铝、铝粉或者铝粉和镁粉的混合物，取得含凹凸棒土的混合物；2）将含凹凸棒土的混合物置于球磨机内，在氩气条件下进行研磨；3）研磨结束后冷却至温室，收集产物，用稀盐酸浸泡后，用蒸馏水洗涤，即得凹凸棒土基多孔硅纳米线。本专利技术制备多孔硅纳米线的前驱体是凹凸棒土，或者含有凹凸棒土，或者凹凸棒土处理后的产品。本专利技术整个合成工艺具有过程简单，原材料价格低廉、产率高等优点，且利用固相反应制备有利于工业化生产，并获得优异的电化学性能的成果。本专利技术具体的有益效果如下：1、本专利技术生产工艺简单、成本较低，且有效的降低反应温度，并且最终产品的产率高，可实现大规模生产。2、本专利技术所制备的材料可以用于高容量锂离子电池、催化剂载体、超级电容器、催化剂、吸附剂、气体储存、药物运输，生物成像和水处理等诸多领域。3、以本专利技术制备的材料形成锂离子电池，250次循环后，0.372A/g和3.72A/g电流密度下，可逆容量分别高达2258.6mAh/g和1086.9mAh/g。该材料优异的电化学性能得益于材料中多孔硅纳米线的形貌缓解了多孔硅的体积效应及缩短了Li+的扩散速率。进一步地，本专利技术所述铝粉或者铝粉和镁粉的混合物与干燥的凹凸棒土、三氯化铝的混合质量比为1～50∶1∶2～50。三氯化铝的用量大于凹凸棒土目的是为了三氯化铝的高温熔融盐能充分包裹凹凸棒土，这样可以减少价格较贵的铝粉或者铝粉和镁粉的混合物作为还原剂的量，且制备的多孔硅纳米线的长度偏长，约大于4微米。所述研磨时，球磨机内研磨球和所述混合料的投料质量比为20～1∶1，转速为200～1200rpm，研磨时间为1～40h。研磨球和投料质量比大于1，效果是为了使投料充分接触研磨球，减少研磨时间。转速为200～1200rpm，研磨时间为1～40h，是在此范围的转速和研磨时间多孔硅纳米的产率较高，且制备的多孔硅纳米线的长度偏长，约大于4微米，如果转速和研磨时间低于此范围，则多孔硅纳米线的产率偏低；如果转速和研磨时间高于此范围，虽然多孔纳米硅的产率较高，但是相应的能耗也较高，并且多孔硅纳米线也会被磨断，甚至成粉末。所述步骤3）中用于浸泡的稀盐酸的浓度为0.1M效果是去除未反应的铝粉或者（和）镁粉以及相应的铝硅化物或者镁硅化物等杂质。为了得到纯度更高的凹凸棒土基多孔硅纳米线，在所述步骤3）后，再用氢氟酸或者浓热的碱溶液去除残余硅氧化物，即得精制的凹凸棒土基多孔硅纳米线。附图说明图1为实施例1中所制备凹凸棒土基多孔硅纳米线的XRD图。图2为实施例1中所制备凹凸棒土基多孔硅纳米线的扫描电镜（SEM）图。图3为实施例1中所制备凹凸棒土基多孔硅纳米线的透射电镜（TEM）图。图4为实施例1中所制备凹凸棒土基多孔硅纳米线制备的锂离子电池的在不同倍率恒流充放电循环寿命图。图5为实施例2中所制备凹凸棒土基多孔硅纳米线的扫描电镜（SEM）图。图6为实施例2中所制备凹凸棒土基多孔硅纳米线的透射电镜（TEM）图。具体实施方式实施例1：步骤一：将含有150g的凹凸棒土加入到300mL水溶剂中超声1小时后过滤或者离心后干燥，取得凹凸棒土，然后以1∶10∶1的质量比将凹凸棒土和三氯化铝、铝粉混合，取得含凹凸棒土的混合物。步骤二：将含凹凸棒土的混合物置于充满氩气的玛瑙罐中，使用星式球磨机球磨，球料质量比为10∶1，转速为500rpm，球磨时间为10h。步骤三：球磨结束后，自然冷却至温室收本文档来自技高网...

【技术保护点】
凹凸棒土基多孔硅纳米线材料的一种球磨制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将含凹凸棒土的溶液超声处理后过滤或者离心，然后干燥取得干燥的凹凸棒土，再将干燥的凹凸棒土与三氯化铝、铝粉或者铝粉和镁粉的混合物，取得含凹凸棒土的混合物；2）将含凹凸棒土的混合物置于球磨机内，在氩气条件下进行研磨；3）研磨结束后冷却至温室，收集产物，用稀盐酸浸泡后，用蒸馏水洗涤，即得凹凸棒土基多孔硅纳米线。

【技术特征摘要】
1.凹凸棒土基多孔硅纳米线材料的一种球磨制备方法，其特征在于包括以下步骤：1）将含凹凸棒土的溶液超声处理后过滤或者离心，然后干燥取得干燥的凹凸棒土，再将干燥的凹凸棒土与三氯化铝、铝粉或者铝粉和镁粉的混合物，取得含凹凸棒土的混合物；2）将含凹凸棒土的混合物置于球磨机内，在氩气条件下进行研磨；3）研磨结束后冷却至温室，收集产物，用稀盐酸浸泡后，用蒸馏水洗涤，即得凹凸棒土基多孔硅纳米线。2.根据权利要求1所述凹凸棒土基多孔硅纳米线材料的一种球磨制备方法，其特征在于所述铝粉或者铝粉和镁粉的混合物与干燥的凹凸棒土、三氯化铝的混合质量比为1～50...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯建华，蒋欣，戴翔，窦倩，王雪，鄢碧鹏，
申请(专利权)人：扬州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32