一种氟化二维羟基硅烷材料及制备方法技术

本发明专利技术公开一种氟化二维羟基硅烷材料及制备方法，以钙硅反应得到二硅化钙，再与浓盐酸反应得到羟基硅烷，最后与氟气反应即可得到氟化二维羟基硅烷材料，氟原子取代氢原子从而得到氟化后的二维材料。本发明专利技术反应原料易得，过程简便，工艺简单，氟化后材料对氧气耐受性提高，带隙得到调整，材料制备以及稳定性对比其他类石墨烯二维材料具有显著优势。

A Fluorinated Two-Dimensional Hydroxysilane Material and Its Preparation Method

The invention discloses a two-dimensional fluorinated hydroxylsilane material and a preparation method. Calcium disilicide is obtained by calcium-silicon reaction, then hydroxylsilane is obtained by reaction with concentrated hydrochloric acid, and finally two-dimensional fluorinated hydroxylsilane material is obtained by reaction with fluorine gas. Fluorine atom replaces hydrogen atom to obtain two-dimensional fluorinated material. The reaction material of the invention is easy to obtain, the process is simple, the process is simple, the oxygen tolerance of the fluorinated material is improved, the band gap is adjusted, and the preparation and stability of the material have significant advantages over other graphene-like two-dimensional materials.

【技术实现步骤摘要】
一种氟化二维羟基硅烷材料及制备方法
本专利技术涉及二维羟基硅烷材料
，属于合成技术和二维羟基硅烷材料制备
，更加具体地说，具体涉及一种氟化二维羟基硅烷材料及制备方法。
技术介绍
二维材料理论上具有拥有高体征迁移率、大比表面积、优异的力学强度、高透光性、良好的催化性能、甚至具有狄拉克锥的线性色散关系等优异性能，使得它可以被制成触摸显示屏、发光二极管、场效应晶体管、光电探测器、光学调制器、制备高效率、可再生的能源产生和收集装置等，从而在光学、电学和催化等领域具有非常广阔的应用前景，引起了科研人员极大的研究热情。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种氟化二维羟基硅烷材料及制备方法，以制备得到的二维材料羟基硅烷，与氟气在室温下进行反应氟化，氟原子取代氢原子从而得到氟化后的二维材料，通过对二维材料进行共价修饰不仅能有效提高材料本身的稳定性，并且能调节二维半导体材料的带隙大小。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现：一种氟化二维羟基硅烷材料及制备方法，按照下述步骤进行：步骤1，以单质硅和钙熔融冷却析出得到层状晶体二硅化钙，即金属单质钙、硅以物质的量比例1:2混合均匀后真空封装，在惰性保护气体气氛中自室温20—25摄氏度升温至900℃～1100℃并保温15—30小时，保温后在40—120小时内降温至室温20—25摄氏度，得到层状晶体二硅化钙；在上述技术方案中，在步骤1中升温速度为每分钟5—10摄氏度。在上述技术方案中，在步骤1中升温至950℃～1050℃，保温15—20小时。在上述技术方案中，在步骤1中保温后在60—100小时内缓慢降温至室温20—25摄氏度。在上述技术方案中，在步骤1中惰性保护气体气氛为氩气、氦气或者氮气。步骤2，将步骤1制备的二硅化钙与浓盐酸在0℃～-30℃下反应处理140—240小时，过滤、洗涤、干燥后得到羟基硅烷；在上述技术方案中，在步骤2中，浓盐酸为质量百分数35—37的氯化氢水溶液，且相对于二硅化钙来说，浓盐酸过量。在上述技术方案中，在步骤2中，反应在持续搅拌条件下进行，搅拌速度为每分钟100—300转，优选150—200转。步骤3，将步骤2制备的羟基硅烷在室温20—30摄氏度下与氟气密闭反应，以实现氟对氢原子的全部取代，优选在20—30摄氏度下与氟气密闭反应20—50小时。对本专利技术中制备的羟基硅烷(Si6H3(OH)3)与氟化羟基硅烷(F-Si6H3(OH)3)进行表征，如附图所示，将羟基硅烷(Si6H3(OH)3)与氟化羟基硅烷(F-Si6H3(OH)3)的XRD峰位置对比，可以看出氟化后峰位置完全改变，生成了新的物质(F-Si6H3(OH)3)，羟基硅烷氟化前后红外谱图对比，可以看出，氟化后，羟基硅烷的Si-H键消失，出现Si-F键，其它红外吸收峰基本没变化，证明羟基硅烷的氟化是氟原子取代氢原子、打破Si-H键而形成Si-F键的过程；拉曼散射图表明氟化过程是Si-H键消失而Si-F键形成的过程，与红外谱图相互印证。图4中a、b是羟基硅烷扫描电镜图，图c、d是氟化羟基硅烷的扫描电镜图，从图中可以看出，羟基硅烷氟化前后都是层状结构。图5中a为羟基硅烷透射电镜图，图b为氟化羟基硅烷透射电镜图，从图中可以看出羟基硅烷氟化前后片层状结构。图4和图5证明氟化没有影响材料的形貌，仍然保持层状结构。使用紫外光谱进行测量带隙，从图6测得羟基硅烷氟化前后的带隙分别为4.30ev、5.75ev，即氟化处理使羟基硅烷带隙发生变化。本专利技术的技术方案以单质硅和钙熔融冷却析出得到层状晶体二硅化钙，与浓盐酸在低温下处理得到层状羟基硅烷，即宏观表现为(准)二维平面层状结构，微观上形成硅烷上部分连接氢原子，部分连接羟基；最后用氟气氟化得到氟化羟基硅烷材料，即使用氟取代氢原子，通过测得带隙可知通过调整与浓盐酸反应的参数(如反应时间、反应温度和浓盐酸浓度)控制层状羟基硅烷上羟基和氢原子的比例，进而调控可与氟气反应的氢原子的数量，达到调控氟化程度的目的，或者通过调整与氟气反应的参数(如反应时间、反应温度等)，控制氟化程度。与现有技术相比，本专利技术反应原料易得，过程简便，工艺简单，氟化后材料对氧气耐受性提高，带隙得到调整，材料制备以及稳定性对比其他类石墨烯二维材料具有显著优势。附图说明图1是本专利技术制备的羟基硅烷氟化前后的XRD图谱。图2是本专利技术制备的羟基硅烷氟化前后的红外图谱。图3是本专利技术制备的羟基硅烷氟化前后的拉曼散射图谱。图4是本专利技术制备的羟基硅烷氟化前后的扫描电镜照片。图5是本专利技术制备的羟基硅烷氟化前后的透射电镜照片。图6是本专利技术制备的羟基硅烷氟化前后的带隙检测图。具体实施方式下面结合具体实施例进一步说明本专利技术的技术方案，其中“天”指24小时，“室温”为20—25摄氏度，“单质钙”为块状，“单质硅”为粉末状，“浓盐酸”为质量百分数35—37的氯化氢水溶液，“搅拌”速度为每分钟200—300转。实例1在惰性气体氩气保护下，称取0.2004g单质钙、0.2809g单质硅于石英玻璃管内真空封装，自室温以每分钟10摄氏度的速度真空加热至950℃熔融保温30小时，然后在120小时内降温至室温，取出0.2000g样品与50mL浓盐酸在-10℃下搅拌处理7天。将反应后溶液反复过滤洗涤，然后干燥。取出干燥后样品在30℃下与氟气密闭反应1天。实例2在惰性气体氩气保护下，称取0.2004g单质钙、0.2809g单质硅于石英玻璃管内真空封装，自室温以每分钟10摄氏度的速度真空加热至1000℃熔融保温15小时，然后在100小时内降温至室温，取出0.2000g样品与50mL浓盐酸在0℃下搅拌处理10天。将反应后溶液反复过滤洗涤，然后干燥。取出干燥后样品在20℃下与氟气密闭反应50h。实例3在惰性气体氩气保护下，称取0.2004g单质钙、0.2809g单质硅于石英玻璃管内真空封装，自室温以每分钟10摄氏度的速度真空加热至900℃熔融保温30小时，然后在40小时内降温至室温，取出0.2000g样品与50mL浓盐酸在-10℃下搅拌处理8天。将反应后溶液反复过滤洗涤，然后干燥。取出干燥后样品在25℃下与氟气密闭反应40h。实例4在惰性气体氩气保护下，称取0.2004g单质钙、0.2809g单质硅于石英玻璃管内真空封装，自室温以每分钟10摄氏度的速度真空加热至1100℃熔融保温20小时，然后在100小时内降温至室温，取出0.2000g样品与50mL浓盐酸在-20℃下搅拌处理10天。将反应后溶液反复过滤洗涤，然后干燥。取出干燥后样品在30℃下与氟气密闭反应35h。实例5在惰性气体氩气保护下，称取0.2004g单质钙、0.2809g单质硅于石英玻璃管内真空封装，自室温以每分钟10摄氏度的速度真空加热至1050℃熔融保温15小时，然后在60小时内降温至室温，取出0.2000g样品与50mL浓盐酸在-30℃下搅拌处理7天。将反应后溶液反复过滤洗涤，然后干燥。取出干燥后样品在30℃下与氟气密闭反应1天。实例6在惰性气体氩气保护下，称取0.4008g单质钙、0.5618g单质硅于石英玻璃管内真空封装，自室温以每分钟10摄氏度的速度真空加热至1050℃熔融保温20小时，然后在80小时内降温至室温，取出0.2000g样品与50mL本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氟化二维羟基硅烷材料，其特征在于，按照下述步骤进行：步骤1，以单质硅和钙熔融冷却析出得到层状晶体二硅化钙，即金属单质钙、硅以物质的量比例1:2混合均匀后真空封装，在惰性保护气体气氛中自室温20—25摄氏度升温至900℃～1100℃并保温15—30小时，保温后在40—120小时内降温至室温20—25摄氏度，得到层状晶体二硅化钙；步骤2，将步骤1制备的二硅化钙与浓盐酸在0℃～‑30℃下反应处理140—240小时，过滤、洗涤、干燥后得到羟基硅烷；步骤3，将步骤2制备的羟基硅烷在室温20—30摄氏度下与氟气密闭反应，以实现氟对氢原子的全部取代。

【技术特征摘要】
1.一种氟化二维羟基硅烷材料，其特征在于，按照下述步骤进行：步骤1，以单质硅和钙熔融冷却析出得到层状晶体二硅化钙，即金属单质钙、硅以物质的量比例1:2混合均匀后真空封装，在惰性保护气体气氛中自室温20—25摄氏度升温至900℃～1100℃并保温15—30小时，保温后在40—120小时内降温至室温20—25摄氏度，得到层状晶体二硅化钙；步骤2，将步骤1制备的二硅化钙与浓盐酸在0℃～-30℃下反应处理140—240小时，过滤、洗涤、干燥后得到羟基硅烷；步骤3，将步骤2制备的羟基硅烷在室温20—30摄氏度下与氟气密闭反应，以实现氟对氢原子的全部取代。2.根据权利要求1所述的一种氟化二维羟基硅烷材料，其特征在于，在步骤1中升温速度为每分钟5—10摄氏度，升温至950℃～1050℃，保温15—20小时，保温后在60—100小时内缓慢降温至室温20—25摄氏度；惰性保护气体气氛为氩气、氦气或者氮气。3.根据权利要求1所述的一种氟化二维羟基硅烷材料，其特征在于，在步骤2中，浓盐酸为质量百分数35—37的氯化氢水溶液，且相对于二硅化钙来说，浓盐酸过量。4.根据权利要求1所述的一种氟化二维羟基硅烷材料，其特征在于，在步骤2中，反应在持续搅拌条件下进行，搅拌速度为每分钟100—300转，优选150—200转。5.根据权利要求1所述的一种氟化二维羟基硅烷材料，其特征在于，在步骤3中，在20—30摄氏度下与氟气密闭反应20—50小时。6.一种氟化二维羟基硅烷材料的制备方法，其特征在于，按照下述步骤进行：步骤1，以单质硅和钙熔融冷却析出得到层状晶体二硅化钙，即金属单质...

【专利技术属性】
技术研发人员：封伟，王宇，赵付来，冯奕钰，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津,12