一种具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的制备方法，其步骤为：在室温下将一定重量比的介孔二氧化硅颗粒、镁粉和NaCl通过球磨充分混合，经干燥得到均匀混合物；将上述混合物置于密闭坩埚放入管式炉中，在氩气保护下加热至一定温度进行镁热还原反应；最后将反应产物酸洗去除副产物，离心后干燥得到具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒。本发明专利技术制备过程易于控制，重复性好，相比以往的腐蚀制备工艺，避免了大量有毒化学品的使用，并且制备的介孔结构硅纳米颗粒保留了原始模板结构，规则有序，大大提前了硅的氧化增重反应起始温度。度。度。

【技术实现步骤摘要】
一种具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的制备方法


[0001]本专利技术涉及纳米复合含能材料
，具体为一种具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的制备方法。

技术介绍

[0002]将纳米概念引入到含能材料的设计中，形成了一种新的高活性复合含能材料：亚稳态分子间复合物。反应性组分在纳米级到原子级水平上的复合，使得组分间的界面接触更加紧密，传质速率明显加快，从而使含能材料表现出更高的能量释放速率和燃烧效率。纳米铝粉因反应性好、放热量高成为最受欢迎的燃料选择，然而，纳米铝粉的高反应性使其对静电、摩擦和撞击有较高的感度，易产生安全隐患；而且其表面易形成氧化铝层（2~6nm），从而导致活性铝含量的降低。纳米硅粉是一种富有吸引力的候选燃料，其热值（33.9kJ/g）与铝（30.8kJ/g）相当；此外，纳米硅粉的氧化层更薄（1~3nm），使其具有更高的活性含量。
[0003]将颗粒粒径减小到纳米级别固然带来了一定的小尺寸效应，但也不可避免地产生了严重的团聚现象，这给实际应用带来了巨大挑战。研究人员发现，纳米颗粒的多孔化可以使结构设计和尺寸效应同时实现，巨大的内部比表面积可以提供更丰富的反应位点，并带来独特的界面特性和减少质量扩散的限制。因此，多孔硅纳米颗粒被认为是一种提升反应性（特别是氧化增重反应的起始温度）的有效途径。
[0004]目前多孔硅的制备主要依赖于腐蚀法，虽然电化学腐蚀法制备的纳米多孔硅孔径小且分布均匀，然而，由于硅片特殊的物理形态，限制了其在含能材料领域开展广泛的应用。化学腐蚀技术成本低、操作简单，但是在实验过程中由于要用到大量的HF和浓HNO3，会产生有毒的挥发性气体，并且重复性差。因此，寻找一种新的可靠的方法来制备多孔硅纳米颗粒具有重要的意义。

技术实现思路

[0005]本专利技术目的在于采用一种新的思路，首先构筑单分散介孔二氧化硅纳米颗粒，并以此为模板，通过镁热还原法制备介孔结构的硅纳米颗粒，在提高硅反应性的同时避免大量有毒化学品的使用。
[0006]为了实现上述目的，本专利技术的技术解决方案如下：一种具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：首先利用有机
‑
无机自组装法构筑介孔二氧化硅颗粒，作为初始模板；在室温下将一定重量比的介孔二氧化硅颗粒、镁粉和NaCl通过球磨充分混合，经烘干得到均匀混合物；将上述混合物置于密闭坩埚放入管式炉中，在氩气保护下加热至一定温度进行镁热还原反应；最后将反应产物酸洗去除副产物，离心后干燥得到具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒。
[0007]进一步地，利用有机
‑
无机自组装法构筑100~200nm介孔二氧化硅颗粒。
[0008]进一步地，镁粉规格为100~200目。
[0009]进一步地，在室温下将质量比为1:0.9:10的介孔二氧化硅颗粒、镁粉和NaCl通过
球磨充分混合。
[0010]进一步地，球磨时采用0.8mm和3mm两种大小不同的氧化锆球，其级配比为1:1~1:2，球料比为10:1~50:1。
[0011]进一步地，在氩气保护下加热至一定温度进行镁热还原反应，升温速率为5~10℃/min，加热温度为660℃~700℃，保温5h。
[0012]与现有技术相比，本专利技术提出的一种具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒制备方法至少具有下列优点：制备过程易于控制，重复性好，相比以往的腐蚀制备工艺，避免了大量有毒化学品的使用。
[0013]制备的介孔结构硅纳米颗粒保留了原始模板结构，规则有序，大大提前了氧化增重反应的起始温度。
[0014]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，以下以本专利技术的较佳实施例详细说明如后。
附图说明
[0015]图1是具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的制备过程示意图。
[0016]图2是本专利技术的实施例1中所述介孔二氧化硅纳米颗粒的XRD图。
[0017]图3是本专利技术的实施例1中所述介孔二氧化硅纳米颗粒的SEM图（a：500nm，b：200nm）。
[0018]图4是本专利技术的实施例1中所述介孔二氧化硅纳米颗粒的氮气吸附/脱附等温线。
[0019]图5是本专利技术的实施例1中所述介孔二氧化硅纳米颗粒的孔径分布曲线。
[0020]图6是本专利技术的实施例1中所述具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的XRD图。
[0021]图7中的a和b是本专利技术的实施例1中用HCl浸洗后得到的具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的SEM图（a：500nm，b：200nm）；图7中的c和d是本专利技术的实施例1中依次用HCl和HF浸洗后得到的具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的SEM图（c：500nm，d：200nm）。
[0022]图8是本专利技术的实施例1中所述具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的氮气吸附/脱附等温线。
[0023]图9是本专利技术的实施例1中所述具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的孔径分布曲线。
[0024]图10是本专利技术的实施例1中所述具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒在氩气下的TG
‑
DSC曲线。
[0025]图11是迈瑞尔公司商售30nm硅纳米颗粒在氩气下的TG
‑
DSC曲线。
[0026]图12是本专利技术的实施例2中所述具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的SEM图（a：500nm，b：200nm）。
[0027]图13是本专利技术的实施例3中所述具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的XRD图。
[0028]图14是本专利技术的实施例4中所述具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的XRD图。
具体实施方式
[0029]下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步详细说明。
[0030]结合图1，本专利技术公开了一种具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的制备方法。所述制备方法包括以下步骤：首先利用有机
‑
无机自组装法构筑180nm的介孔二氧化硅纳米颗粒，作为初始模板；在室温下将一定重量比的介孔二氧化硅颗粒、镁粉和NaCl通过行星式球磨机充分混合，经真空烘干得到均匀混合物；将上述混合物置于密闭坩埚放入管式炉中，在氩气保护下加热至一定温度并保温以进行镁热还原反应；最后将反应产物依次通过HCl、HF浸洗，离心后干燥得到具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒。具体步骤如下：步骤1：采用有机
‑
无机自组装法构筑介孔二氧化硅纳米颗粒，作为初始模板。所述有机
‑
无机自组装法为：将50mL去离子水与963mg十六烷基三甲基对甲苯磺酸铵（CTATos）和141mg三（羟甲基）氨基甲烷（Tris base）在80℃下搅拌1h，在上述溶液中快速加入7.75mL正硅酸四乙酯（TEOS），剧烈搅拌反应2h，离心收集产物，用去离子水和乙醇清洗，最后将产物于空气中在600℃下煅烧6h去除剩余的模板，获得180nm左右的介孔二氧化硅颗粒；步骤2：将介孔二氧化硅颗粒、镁粉和NaCl按照质量比1:0.9:10通过行星式球磨机充分混合，经真本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：在室温下将一定重量比的介孔二氧化硅颗粒、镁粉和NaCl通过球磨充分混合，经干燥得到均匀混合物；将上述混合物置于密闭坩埚放入管式炉中，在氩气保护下加热至一定温度进行镁热还原反应；最后将反应产物酸洗去除副产物，离心后干燥得到具有介孔结构的高反应性硅纳米颗粒。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，利用有机
‑
无机自组装法构筑100~200nm介孔二氧化硅颗粒。3.如权利要求1所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：周翔，马新文，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：