一种硅纳米颗粒及其制备方法和用途技术

本发明专利技术提供了一种硅纳米颗粒及其制备方法和用途，属于纳米材料技术领域；所述硅纳米颗粒的制备方法包括以下步骤：(1)将铜基催化剂与硅进行预热处理，得到触体；(2)将步骤(1)得到的触体与氯化氢原位催化反应，得到反应产物；(3)分离步骤(2)得到的反应产物，得到硅纳米颗粒。本发明专利技术提供的硅纳米颗粒的制备方法工艺简单，反应条件温和，制备过程清洁，制得硅纳米颗粒的同时能副产高价值的三氯氢硅化学品，有望实现硅纳米颗粒与三氯氢硅生产双赢的目的；同时，制得的硅纳米颗粒的粒径大小可调，形貌可控，解决了现有技术难以实现硅纳米颗粒制备的关键问题。

【技术实现步骤摘要】
一种硅纳米颗粒及其制备方法和用途
本专利技术属于纳米材料制备
，涉及一种硅纳米颗粒及其制备方法和用途。
技术介绍
硅纳米颗粒是一种重要的新型功能材料，由于具有独特的介电特性、光学特性、微电子相容性以及大的比表面积和粒径与形貌可控性，使其在生物分析、免疫检测、照明材料、光电器件、集成电路、绝缘材料、敏感元件及传感器、太阳能电池和锂离子电池等领域具有广泛的应用，尤其是硅纳米颗粒作为一种新型的半导体光电材料，在室温下具有优异的光致发光、电致发光等特性，与现有硅技术兼容，极有可能实现在硅基光电器件等多个领域的应用。目前，硅纳米颗粒的制备方法主要包括以下几种：(1)高能球磨法，如CN103531761A公开了一种纳米硅的制备方法，该方法将微米级硅粉在分散剂中分散均匀后，通过循环式球磨机在10～60℃条件下球磨4～20h，制得纳米硅；(2)金属热还原法，如CN103482628A公开了一种纤维状纳米硅的制备方法，该方法将纤维状二氧化硅与镁粉混合，在氩气环境中，在500-800℃条件下燃烧反应，用盐酸分离产物后制得纤维状纳米硅；CN102616785A公开了一种锌还原四氯化硅制备纳米硅粉颗粒的方法，该方法将熔融气化的锌蒸汽在氩气条件下还原四氯化硅，除杂之后制得纳米硅；(3)电化学还原法，如CN103882465A公开了一种高纯纳米硅的制备方法，该方法以氯化钙或含有氯化钙的混合熔盐作为电解液，以二氧化硅或石英置于金属集流体中作为阴极，进行恒电位电解制得高纯纳米硅；(4)化学刻蚀法，如CN104891497A公开了一种太阳级超高纯纳米硅粉的宏量制备方法，将预处理后的硅粉放入含有金属离子、氧化剂和化学切割剂的第一化学溶液中，通过化学切割生成纳米硅粉；清洗后通过微化学刻蚀形成圆球状纳米硅粉；(5)脉冲激光沉积法，如CN101684545A公开了一种脉冲激光沉积制备纳米硅的方法，该方法采用激光器再拖性气体环境中对硅靶进行烧蚀沉积，制得纳米硅。上述制备方法普遍存在原料成本高、制备工艺复杂、设备要求高、过程条件苛刻、污染严重(大量使用HF或产生副产物)、批量生产困难等问题，或是性能无法满足商业需求，无法产业化生产。三氯氢硅不仅是生产硅烷偶联剂和其他有机硅产品的重要中间体，也是制造多晶硅的主要原料。硅烷偶联剂是一种重要的有机硅复合材料，具有较高的科技含量及高的附加值。工业上普遍采用硅和盐酸反应生产三氯氢硅偶联剂单体，如CN101279734A、CN101279735A、CN101486465A等公开了硅与盐酸催化反应制备三氯氢硅的方法，但并未涉及硅纳米颗粒在反应中的合成。因此，目前急需一种过程简单、清洁的方法大量合成硅纳米颗粒，同时不产生副产物或副产物具有较高附加值。
技术实现思路
针对现有技术存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种硅纳米颗粒及其制备方法和用途，所述方法中硅原料先与催化剂的预热处理，再与氯化氢反应，硅纳米颗粒的制备方法简单，过程清洁并且生产成本低，适宜于规模化生产，能够得到不同粒径和形貌的硅纳米颗粒，同时副产三氯氢硅偶联剂单体，具有广阔的应用前景。为了达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种硅纳米颗粒的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：(1)将铜基催化剂与硅进行预热处理，得到触体；(2)将步骤(1)得到的触体与氯化氢原位催化反应，得到反应产物；(3)分离步骤(2)得到的反应产物，得到硅纳米颗粒。本专利技术中，所述方法先将铜基催化剂与硅材料进行预热处理，使得硅与铜基催化剂混合物的两相界面可以形成催化活性物铜硅合金，之后铜硅合金可以与氯化氢发生原位催化反应，控制反应程度，得到硅纳米颗粒，同时可以得到副产物三氯氢硅。本专利技术提供的硅纳米颗粒的制备方法解决了现有技术难以实现的硅纳米颗粒制备的关键问题，制备过程中不使用剧毒性的氢氟酸，避免了含氟废水的产生，实现了硅纳米颗粒的清洁制备，便于工业化制备硅纳米颗粒；同时反应生成的副产物利用价值高。以下作为本专利技术优选的技术方案，但不作为本专利技术提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本专利技术的技术目的和有益效果。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述铜基催化剂包括主催化剂和助催化剂，所述主催化剂包括Cu、Cu2O、CuO、Cu(OH)2、CuF2、CuCl、CuCl2或Cu(Ac)2中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：Cu与Cu2O的组合，CuO与CuCl的组合，CuO、CuCl与CuCl2的组合，Cu、Cu2O与CuO的组合，Cu、Cu2O、Cu(OH)2与Cu(Ac)2的组合，Cu、Cu2O、CuO、CuCl与CuCl2的组合等。优选地，所述助催化剂为锌、锌的氧化物或卤代物、锡、锡的氧化物或卤代物、磷、磷的氧化物或卤代物、铜锌合金或铜硅合金中任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性实例有：锌与锡的组合，锌与锌的氧化物的组合，磷与铜锌合金的组合，锡、锡的氧化物与锡的卤代物的组合，铜锌合金与铜硅合金的组合等。本专利技术中，所述铜基催化剂中，助催化剂的含量相比主催化剂要少，其中主催化剂的含量为80～99wt％，例如80wt％、82wt％、85wt％、88wt％、90wt％、93wt％、95wt％、98wt％或99wt％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，其在反应中其主要催化作用。优选地，步骤(1)所述铜基催化剂的颗粒大小为纳米级、微米级或毫米级，优选为微米级。优选地，步骤(1)所述铜基催化剂的形貌为球形、树枝状、花状、片状、粉末状或凝胶状。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述硅的颗粒大小为纳米级、微米级或毫米级，优选为微米级。优选地，步骤(1)所述硅的形貌为片状、颗粒状或多孔状。优选地，步骤(1)所述硅为非晶硅、单晶硅或多晶硅。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述铜基催化剂与硅的质量比为1:30～20:1，例如1:30、1:25、1:20、1:15、1:10、1:5、1:1、3:1、5:1、10:1、15:1或20:1等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为1:20～10:1，进一步优选为1:10～3:1。本专利技术中，硅的颗粒大小会影响其可进行的反应程度，从而得到合适粒径的硅纳米颗粒；而铜基催化剂的大小以及其与硅的质量比，能够影响两者的结合程度，有助于提高催化反应速率，生成氯代硅烷，再通过反应参数的调节控制反应程度，得到纳米尺寸的硅。若铜基催化剂与硅的质量比过大，催化反应程度不易控制，得到的硅颗粒大小不均匀；而铜基催化剂与硅的质量比过小，则会使得催化反应过慢，不易得到纳米硅颗粒。作为本专利技术优选的技术方案，步骤(1)所述预热处理的温度为50～1000℃，例如50℃、100℃、200℃、300℃、400℃、500℃、600℃、700℃、800℃、900℃或1000℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为100～400℃。优选地，步骤(1)所述预热处理的时间为0.1～20h，例如0.1h、0.5h、1h、2h、4h、5h、6h、8h、10h、12h、15h、18h或20h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将铜基催化剂与硅进行预热处理，得到触体；(2)将步骤(1)得到的触体与氯化氢原位催化反应，得到反应产物；(3)分离步骤(2)得到的反应产物，得到硅纳米颗粒。

【技术特征摘要】
2018.12.11 CN 20181151386861.一种硅纳米颗粒的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将铜基催化剂与硅进行预热处理，得到触体；(2)将步骤(1)得到的触体与氯化氢原位催化反应，得到反应产物；(3)分离步骤(2)得到的反应产物，得到硅纳米颗粒。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述铜基催化剂包括主催化剂和助催化剂，所述主催化剂包括Cu、Cu2O、CuO、Cu(OH)2、CuF2、CuCl、CuCl2或Cu(Ac)2中任意一种或至少两种的组合；优选地，所述助催化剂为锌、锌的氧化物或卤代物、锡、锡的氧化物或卤代物、磷、磷的氧化物或卤代物、铜锌合金或铜硅合金中任意一种或至少两种的组合；优选地，步骤(1)所述铜基催化剂的颗粒大小为纳米级、微米级或毫米级，优选为微米级；优选地，步骤(1)所述铜基催化剂的形貌为球形、树枝状、花状、片状、粉末状或凝胶状。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述硅的颗粒大小为纳米级、微米级或毫米级，优选为微米级；优选地，步骤(1)所述硅的形貌为片状、颗粒状或多孔状；优选地，步骤(1)所述硅为非晶硅、单晶硅或多晶硅。4.根据权利要求1-3之一所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述铜基催化剂与硅的质量比为1:30～20:1，优选为1:20～10:1，进一步优选为1:10～3:1。5.根据权利要求1-4之一所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述预热处理的温度为50～1000℃，优选为100～400℃；优选地，步骤(1)所述预热处理的时间为0.1～20h，优选为1～20h，进一步优选为1～10h；优选地，步骤(1)所述预热处理是在保护性气氛或保护性气氛与氢气的混合气氛下进行；...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏发兵，王艳红，谭强强，
申请(专利权)人：中科廊坊过程工程研究院，中国科学院过程工程研究所，
类型：发明
国别省市：河北,13