一种自持硅纳米线阵列的制备方法技术

一种自持硅纳米线阵列的制备方法，属于纳米材料制备技术领域。所述方法将含硅原料经过金属网和金属丝固定形成金属网覆盖的电极，然后将此电极置于600-1100°C的熔融盐中，对电极采用含碳电极，在惰性气氛或真空下施加1.7-2.5V的槽电压脱氧还原；反应后冷却取出，经过洗涤，剥离，即得到自持的硅纳米线阵列。其长度可以通过选用的原料厚度和反应的时间调节。纳米线阵列由晶体硅纳米线组成，特别的，纳米线之间具有横向的连接结构，具有一定的强度，不需要载体支撑而可以保持结构稳定。本制备方法可以快速廉价的制备自持硅纳米线阵列，尺度可调，适用于规模生产。

【技术实现步骤摘要】
一种自持硅纳米线阵列的制备方法
本专利技术涉及一种自持硅纳米线阵列的制备方法，属于纳米材料

技术介绍
硅纳米线阵列材料，由于具有独特的结构和物理性能，在信号传感器，生物检测模板，催化/电催化，光电物理器件，太阳电池，锂离子电池负极等等领域具有非常广阔的应用前景。目前，制备硅纳米线阵列的方法大多数都是基于硅片无电刻蚀，有的还依赖于模板。这些方法使用硅片，毒性腐蚀性化学试剂和贵金属，成本较高。而且制备的硅纳米线阵列不能够自我支撑，需要生长在基底上，否则就不能成为阵列。这些限制了硅纳米线阵列的规模化制备以及其应用。比如，CN101302118A报道了一个采用硅片为原料，以二氧化硅小球为模板，经过1000°C高温，氢氟酸腐蚀，蒸镀银，再在腐蚀液中腐蚀从而得到硅纳米线阵列的制备方法，其步骤多，原料成本高，制备工艺相对复杂。CN102126724A中报道了采用硅片为原料，经过清洗，无电化学沉积得到银纳米颗粒层，加入氢氟酸和双氧水化学刻蚀，再用硝酸清除银得到纳米线阵列的方法。其同样是采用硅片为原料，过程相对复杂。特别是，采用硅片刻蚀方法得到的纳米线阵列都不能够自持，必须依赖下面有硅片衬底的连接而保持结构。熔盐电化学方法制备硅纳米线阵列还没有相关的报道。类似的报道如CN102154659A提出了在熔盐电解精炼工业硅制备硅纳米线的方法，但所得到的是硅纳米线，并非纳米线阵列。CN101736354A报道了采用熔盐电化学方法由SiO2等可以制备硅纳米颗粒和一维硅纳米线等材料，但是没有得到二维的硅纳米线阵列。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种能够自我支撑的，具有一定面积的纳米线阵列的简单而廉价的制备方法。本专利技术将熔盐电脱氧技术应用于硅纳米线阵列的制备中，研制出采用石英玻璃为原料在熔融盐介质中经过电脱氧过程制备具有自我支撑的硅纳米线阵列的方法。本专利技术提出的硅纳米线阵列的制备方法，所述方法依次按如下步骤进行：1.一种自持硅纳米线阵列的制备方法，所述方法按如下步骤进行（1）含硅固体A为原料，用金属M2将金属网M1和A接触固定，金属网M1固定于含硅固体A表面，做成金属网覆盖A部分表面或全部表面的工作电极B；（2）准备熔融盐X作为电解液，在惰性气氛保护或真空状态下使之熔化于坩埚中并保持盐液恒温600-1100°C范围内；（3）使工作电极B金属网覆盖的部份浸没入熔盐中作为阴极；含碳电极C为阳极。两电极间施加1.7-2.3V的电压，控制时间为0.5-10小时使反应完成；（4）反应完成后，工作电极B在惰性气氛或真空中冷却后取出；采用溶剂D洗涤，去掉盐，剥掉金属网M1和金属丝M2，即得到硅的纳米线阵列产品。2．所述的含硅固体A为透明或者不透明的石英玻璃，其厚度在0.1mm-4mm长宽面积不限的片状、或者是具有0.1mm-4mm直径的长度不限的石英玻璃管或石英玻璃棒、以及其他的任意规则或者不规则形状。3.所制成的工作电极B形式为片、或者圆柱、或者为块状或者其他任意形状；金属网必须包裹紧密覆盖在电极原料含硅固体A的至少一个面上。4.所用金属网M1和金属M2可以是单一种耐高温金属Ni、Mo、W、Ti、Cr、Mn或Co；或是几种耐高温腐蚀的金属或者金属合金，其为不锈钢、镍合金、或Kantal合金；M1和M2是同一种金属或者金属合金、或是不同种金属或者金属合金；金属网的目数不限，形式不限；金属M2的结构用于固定M1和A，金属M2为金属丝、金属夹子或金属螺栓，对应的可以是金属丝缠绕、金属夹子夹持、或金属螺纹固定。5.熔融盐X电解液成分为碱土金属卤化物盐一种或二种以上的混合物，比例不限；或是含有0.01-15wt%碱土金属氧化物的碱土金属氧化物与卤化物盐的混合物，成为2种或者3种以上物质的混合物；或者是碱土金属卤化物盐与碱金属卤化物盐的混合物，其中碱金属卤化物盐的量为0.01-50wt%，成为2种或者3种以上物质的混合物；或是含有0.01-15wt%碱土金属氧化物、0.01-50wt%碱金属卤化物盐，碱金属卤化物盐、碱土金属氧化物与碱土金属卤化物盐的混合物，成为3种或者4种以上物质的混合物。6.碱土金属卤化物盐为CaCl2、BaCl2或CaF2；碱土金属氧化物为CaO；碱金属卤化物盐为NaCl或KCl。7.阳极含碳电极C为石墨电极或炭电极。8.对应使用碱土金属卤化物盐一种或二种以上的混合物的盐，洗涤溶剂D为水或者0.01-1mol%盐酸或者可以溶解碱土金属卤化物盐的有机溶剂二甲基亚砜、丙烯碳酸酯或乙醇；对应使用含有0.01-15wt%碱土金属氧化物的碱土金属氧化物与卤化物盐的混合物，成为2种或者3种以上物质的混合物，洗涤溶剂D为0.01-1mol%盐酸；对应碱土金属卤化物盐与碱金属卤化物盐的混合物，其中碱金属卤化物盐的量为0.01-50wt%，成为2种或者3种以上物质的混合物，洗涤溶剂D为水或者0.01-1mol%盐酸或者可以溶解碱土金属卤化物盐与碱金属卤化物盐的有机溶剂二甲基亚砜、丙烯碳酸酯或乙醇；对应含有0.01-15wt%碱土金属氧化物、0.01-50wt%碱金属卤化物盐，碱金属卤化物盐、碱土金属氧化物与碱土金属卤化物盐的混合物，成为3种或者4种以上物质的混合物，洗涤溶剂D为0.01-1mol%盐酸。本专利技术的多金属本体催化剂和公知技术相比，具有如下优点：1、本专利技术中制备原料廉价，制备迅速，环境友好，可以大规模生产。2、本专利技术制备的硅纳米线阵列具有自持的特点，不需要任何衬底的支撑而结构稳定。3、本专利技术制备的纳米线长度可以达到几百微米，而且长度和直径均可调控。没有金属残留，杂质少纯度高。附图说明图1为本专利技术中的实施例1中描述条件制备出的硅纳米线阵列的扫描电子显微镜（SEM）图。从中可以看出，此样品纳米线阵列可长达几百微米，每根纳米线直径在300纳米左右，邻近的纳米线径向横向有相互连接。图2本专利技术所述实施例1中制备的纳米线阵列的能量色散X射线谱（EDX）的元素成分分析图。可以看出，纳米线阵列主要成分是硅元素。氧元素含量非常少。其他成分几乎没有。图3为本专利技术中所述实施例1中的工作电极B示意图。示意图中显示的是金属网M1（1）为镍网和金属杆M2（2）为钼丝。2面相对夹紧的含硅原料A（3）为石英片。需要说明的是，此工作电极B示意图，仅作为实施例的一个例证。本专利所宣称的工作电极形式的保护范围，不限于此图所示。具体实施方式本专利技术方法将含硅原料经过金属网和金属丝固定形成金属网覆盖的电极，然后将此电极置于600-1100°C的熔融盐中，对电极采用含碳电极，在惰性气氛或真空下施加1.7-2.5V的槽电压脱氧还原；反应后冷却取出，经过洗涤，剥离，即得到自持的硅纳米线阵列。其长度可以通过选用的原料厚度和反应的时间调节。纳米线阵列由晶体硅纳米线组成，特别的，纳米线之间具有横向的连接结构，具有一定的强度，不需要载体支撑而可以保持结构稳定。本制备方法可以快速廉价的制备自持硅纳米线阵列，尺度可调，适用于规模生产。为了进一步说明本专利技术，列举以下实施实例，但它并不限制各附加权利要求所定义的专利技术范围。比如，本专利技术提出制备硅纳米线阵列采用的原料为含硅原料A，这种原料A为致密石英玻璃材质，可以是透明或者不透明；厚度可以在0.1mm-4mm范围、形状为长宽面积不限的片状或者本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种自持硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于：所述方法按如下步骤进行（1）含硅固体A为原料，用金属M2将金属网M1和A接触固定，金属网M1固定于含硅固体A表面，做成金属网覆盖A部分表面或全部表面的工作电极B；（2）准备熔融盐X作为电解液，在惰性气氛保护或真空状态下使之熔化于坩埚中并保持盐液恒温600?1100°C范围内；（3）使工作电极B金属网覆盖的部份浸没入熔盐中作为阴极；含碳电极C为阳极。两电极间施加1.7?2.3V的电压，控制时间为0.5?10小时使反应完成；（4）反应完成后，工作电极B在惰性气氛或真空中冷却后取出；采用溶剂D洗涤，去掉盐，剥掉金属网M1和金属丝M2，即得到硅的纳米线阵列产品。

【技术特征摘要】
1.一种自持硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于：所述方法按如下步骤进行，(1)含硅固体A为原料，用金属丝M2将金属网M1和A接触固定，金属网M1固定于含硅固体A表面，做成金属网覆盖A部分表面或全部表面的工作电极B；(2)准备熔融盐X作为电解液，在惰性气氛保护或真空状态下使之熔化于坩埚中并保持盐液恒温600-1100℃范围内；(3)使工作电极B金属网覆盖的部份浸没入熔盐中作为阴极；含碳电极C为阳极；两电极间施加1.7-2.3V的电压，控制时间为0.5-10小时使反应完成；(4)反应完成后，工作电极B在惰性气氛或真空中冷却后取出；采用溶剂D洗涤，去掉盐，剥掉金属网M1和金属丝M2，即得到硅的纳米线阵列产品；所述的金属网M1采用20x10mm的20目金属镍网；所述金属网M1为镍网和金属丝M2为钼丝；所述的含硅固体A为透明或者不透明的石英玻璃；熔融盐X电解液成分为碱土金属卤化物盐一种或二种以上的混合物，比例不限；或是含有0.01-15wt％碱土金属氧化物的碱土金属氧化物与卤化物盐的混合物，成为2种或者3种以上物质的混合物；或者是碱土金属卤化物盐与碱金属卤化物盐的混合物，其中碱金属卤化物盐的量为0.01-50wt％，成为2种或者3种以上物质的混合物；或是含有0.01-15wt％碱土金属氧化物、0.01-50wt％碱金属卤化物盐，碱金属卤化物盐、碱土金属氧化物与碱土金属卤化物盐的混合物，成为3种或者4种以上物质的混合物；碱土金属卤化物盐为CaCl2、BaCl2或CaF2；碱土金属氧化物为CaO；碱金属卤化物盐为NaCl或KCl。2.如权利要求1所述的硅纳米线阵列的制备方法，其特征在于，所述石英玻璃厚度在0.1mm-4mm长宽面积不限的片状或者是具有0.1mm-4mm直径的长度不限的石英玻璃...

【专利技术属性】
技术研发人员：李灿，肇极，李军，应品良，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：