一种高纯溶胶的制备方法，由该方法制备的硅溶胶及用途技术

本发明专利技术公开了一种高纯高单分散硅溶胶的制备方法，采用氨基酸作催化剂调节溶液pH值、催化硅粉水解并控制SiO2颗粒形貌，可控地制备不同粒径且单分散性高的纳米SiO2，该方法制备的硅溶胶可广泛应用于催化剂载体、电池负极材料等领域。用该方法制备的单分散二氧化硅粒与糖液混合后，喷雾干燥、焙烧制成表面包覆碳的二氧化硅粒子，将其制备成电池负极，表现出较好的电化学性能。好的电化学性能。好的电化学性能。

【技术实现步骤摘要】
一种高纯溶胶的制备方法，由该方法制备的硅溶胶及用途


[0001]本专利技术涉及硅溶胶制备
，具体涉及一种高纯硅溶胶的制备方法、由该方法制备的硅溶胶及用途。

技术介绍

[0002]硅溶胶为纳米级的二氧化硅颗粒在水中或溶剂中的分散液，其胶粒大小可以为5～120nm。由于硅溶胶中的SiO2含有大量的水及羟基，故硅溶胶也可以表述为mSiO2·
nH2O。由于硅溶胶中二氧化硅颗粒表面具有大量的羟基，具有较大的反应活性，因此被广泛应用于化工、电子、涂料、食品、选矿等领域。
[0003]二氧化硅(SiO2)材料由于其较高的理论容量(1965mAh g
‑1)、与硅相比较小的体积膨胀(100％)和丰富的储量，被认为是具有极大发展前景的锂电池负极材料。但由于其导电率低，通常需要在其表面包覆碳层增强其导电性，研究发现，粒径小、单分散性强的SiO2粒子将有着更大的比表面积与活性范围，均匀的碳包覆层有利于提供更多的反应活性位点，从而提高材料的利用率，提供更高的容量。
[0004]而某些特殊行业，如用于合成丙烯腈催化剂的纳米二氧化硅载体等，还需要二氧化硅溶胶的纯度高，即金属离子含量低、稳定性好；同时要求硅溶胶中纳米SiO2粒子具有良好的尺寸单分散性，如粒径分布过宽，小粒径的SiO2粒子会填充在大粒径SiO2粒子堆积形成的孔隙中间，导致催化剂比表面积较低，极大影响其催化活性。
[0005]目前制备二氧化硅溶胶的方法一般有三种：
[0006]第一种为离子交换法，是以稀释后的Na2SiO3为原料，通过离子交换，去除其中的Na
+
、Cl
－
等杂质离子，得到聚Na2SiO3母液，为提高其稳定性，一般会加入少量氢氧化钠(NaOH)或氢氧化钾(KOH)调节pH值使其达到稳定区域。随后进行浓缩纯化即得到最终产品。离子交换法是目前工业上生产较低端SiO2溶胶的常用方法。该方法原料成本低廉、制备过程简单，适用于工业上大规模生产，但生产的纳米SiO2粒度分布宽、稳定性差、含有大量无法除去的杂质离子。且当阴、阳离子交换树脂失去交换能力后，需要用NaOH、稀盐酸进行再生，会产生大量废水。
[0007]第二种为硅醇盐水解法，又称法，该方法采用碱性催化剂NH3·
H2O催化水解硅酸乙酯(TEOS)。由于未水解的TEOS与水之间的混溶性低，一般使用一种助溶剂(醇)使之互溶。其反应机理为有机或无机催化剂水解硅醇盐，硅醇基团进行缩合反应产生硅氧烷键和副产物，即醇或水。该方法生产的纳米SiO2粒度分布窄、单分散性好、稳定性好、粒径大，可以弥补离子交换法的缺点，可用来生产高品质的纳米SiO2。但是该路线需使用昂贵的硅醇盐作为原料，同时需使用大量有机溶剂(如甲醇、乙醇或者异丙醇等)，制备的二氧化硅溶胶固含量低，成本高昂，难以实现工业化应用。
[0008]第三种为单质硅水解法，是以单质硅作硅源，采用无机碱(如NaOH、KOH、水玻璃等)为催化剂制备硅溶胶的方法，该方法克服了硅醇盐水解法中反应原料成本高昂的问题，但无机碱带入了金属离子，纯度低，且纳米粒子的粒径分布较宽。
[0009]因此，如何合成一种纯度高、单分散性更好，成本低的纳米二氧化硅是一个亟待解决的问题。

技术实现思路
：
[0010]本专利技术的目的之一为提供一种高纯，单分散性好，低成本的硅溶胶的制备方法。采用氨基酸作催化剂调节溶液pH值、催化硅粉水解并控制SiO2颗粒形貌，可控地制备不同粒径且单分散性高的纳米SiO2。由于不采用传统的无机碱做催化剂，制备的硅溶胶金属离子含量低。采用廉价的硅粉做原料，且制备工艺简单，易于规模化生产，可有效降低生产成本。更为重要的是，氨基酸不仅作为碱催化金属硅粉水解，同时能够通过氢键作用键合在SiO2核表面，控制SiO2生长，从而使纳米SiO2离子具有良好的尺寸单分散性。
[0011]为达到上述目的，采用以下技术方案：
[0012]一种高纯溶胶的制备方法，包含以下步骤：
[0013]S1，将硅粉进行活化处理，得到活化硅粉；
[0014]S2，将碱性氨基酸溶于水中，制备催化剂溶液；
[0015]S3，在加热条件下，将所述活化硅粉加入到所述催化剂溶液中，水解得硅粉与纳米二氧化硅混合液；
[0016]S4，将所述硅粉与纳米二氧化硅混合液过滤，滤液即为高纯硅溶胶。
[0017]所述步骤S1中，将硅粉进行活化过程为：将硅粉在50℃
‑
100℃水中搅拌1h
‑
2h后，水洗，过滤，烘干，得到活化硅粉。
[0018]所述硅粉的纯度不小于99％，粒度为100目
‑
200目。
[0019]优选地，所述碱性氨基酸为精氨酸、赖氨酸或组氨酸中的一种或多种的组合。
[0020]优选地，所述精氨酸为L
‑
精氨酸。
[0021]优选地，所述水、硅粉、碱性氨基酸的重量比为100:(8
‑
13):(0.2
‑
2)。
[0022]优选地，所述水、硅粉、碱性氨基酸的重量比为100:13:(0.9
‑
1.6)。
[0023]所述活化硅粉既可一次性加入，也可分批加入到氨基酸溶液。对其加入速度没有特别规定。
[0024]本专利技术使用的术语“过滤”表示在重力或者其他外力作用下通过介质将流体与非流体分离的操作，所述介质包括但不限于滤纸、纱布、滤芯、半透膜、滤网等，理论上，含有多孔结构的材料都可以成为过滤的介质；过滤的设备包括但不限于真空或减压装置、加压装置、离心装置等。
[0025]将所述硅粉与纳米二氧化硅混合液进行过滤，滤液为硅溶胶。滤出的固体粉末为未完全反应的硅粉，这部分硅粉可循环使用。
[0026]优选地，步骤S3中，反应温度为65℃
‑
90℃，反应时间为15h
‑
48h。
[0027]优选地，步骤S3中，反应温度为75℃
‑
90℃，反应时间为20h
‑
30h。
[0028]用该方法制备的硅溶胶中二氧化硅的固体含量可达到26.8wt％，通过浓缩可将其固含量提高到35wt％，所述浓缩方法可采用反渗透过滤或蒸发浓缩。
[0029]所述蒸发浓缩采用本
常规浓缩方法，如通过蒸发浓缩，或通过带水剂浓缩。
[0030]本专利技术的第二个目的是提供了一种上述方法制备的高纯硅溶胶。
[0031]优选地，所述硅溶胶中的单分散二氧化硅粒子粒径可在8nm
‑
30nm范围内进行调整，金属离子含量小于50ppm。
[0032]本专利技术的第三个目的是提供了一种由上述高纯硅溶胶制备的碳包覆二氧化硅粒子的制备方法，包括以下步骤：
[0033]第一步，按预定比例，将糖加入到硅溶胶中，配制成二氧化硅糖溶液；
[0034]第二步，将所述二氧化硅糖溶液进行喷雾干燥，制成粉末；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高纯硅溶胶的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：S1，将硅粉进行活化处理，得到活化硅粉；S2，将碱性氨基酸溶于水中，制备催化剂溶液；S3，在加热条件下，将所述活化硅粉加入到所述催化剂溶液中，水解得硅粉与纳米二氧化硅混合液；S4，将上述硅粉与纳米二氧化硅混合液过滤，滤液即为高纯硅溶胶。2.根据权利要求1所述的高纯硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述碱性氨基酸为精氨酸、赖氨酸或组氨酸中的一种或多种的组合，优选地，所述碱性氨基酸为L
‑
精氨酸。3.根据权利要求1所述的高纯硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述硅粉为100目
‑
200目，纯度不低于99.0％。4.根据权利要求1所述的高纯硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述水、硅粉、碱性氨基酸的重量比为100:(8
‑
13):(0.2
‑
2)。5.根据权利要求1所述的高纯硅溶胶的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，反应温度为65℃
‑
90℃，反应时间为15h
‑
48h。6.一种由权利要求1
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：陈刚，秦坤，
申请(专利权)人：武汉固理新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：