一種碳化硅納米多孔材料的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化娃納米多孔材料的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)俗稱金剛砂，寶石名稱鉆髓，為硅與碳相鍵結(jié)而成的陶瓷狀化合物，碳化硅在大自然以莫桑石這種稀罕的礦物的形式存在。自1893年起碳化硅粉末被大量用作磨料。將碳化硅粉末燒結(jié)可得到堅(jiān)硬的陶瓷狀碳化硅顆粒，并可將之用于諸如汽車剎車片、離合器和防彈背心等需要高耐用度的材料中，在諸如發(fā)光二極管、早期的無線電探測(cè)器之類的電子器件制造中也有使用。如今碳化硅被廣泛用于制造高溫、高壓半導(dǎo)體。
[0003]目前，制備SiC納米材料的主要方法有模板生長(zhǎng)法、碳熱還原法、化學(xué)氣相沉積法和有機(jī)前驅(qū)體熱解法等。
[0004]二維SiC納米材料的制備方法主要存在以下幾個(gè)問題:(I)工藝過程中溫度高(模板法、激光燒蝕法、電弧放電法、熱蒸發(fā)法、碳熱還原法)或壓力大(溶劑熱法)，涉及過程復(fù)雜；(2)產(chǎn)物中常含有金屬雜質(zhì)(如金屬氣-液-固(VLS)催化生長(zhǎng)法)或表面包覆S1Jl (激光燒蝕法、電弧放電法、碳熱還原法)，形貌不均一；(3)產(chǎn)量低(模板法、溶劑熱法)。這些問題制約了高純二維SiC納米材料的制備及其本征性能的研究，也不利于實(shí)現(xiàn)二維SiC納米材料的規(guī)?；a(chǎn)。因此，發(fā)展新型低成本高純二維SiC納米材料的制備技術(shù)對(duì)于推動(dòng)二維SiC納米材料的研究、規(guī)?；a(chǎn)以及在相關(guān)高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用具有十分重要的意義。
[0005]海泡石屬斜方晶系或單斜方晶系；顏色多變，一般呈淡白或灰白色；體質(zhì)輕，密度為I?2.2g/cm3;收縮率低，可塑性好。海泡石的化學(xué)成分為硅(Si)和鎂(Mg);其標(biāo)準(zhǔn)晶體化學(xué)式為Mg8 (H2O)4 [Si6O16] 2 (OH)4.8H20，其中S12含量一般在54?60%之間，MgO含量多在21?25%范圍內(nèi)。并常有少數(shù)置換的陽離子。海泡石具有極強(qiáng)的吸附、脫色和分散等性能，亦有極高的熱穩(wěn)定性，耐高溫性可達(dá)1500?1700°C，造型性、絕緣性、抗鹽度都非常好。
[0006]雖然我國(guó)是世界上少數(shù)幾個(gè)富產(chǎn)海泡石的國(guó)家之一，但開發(fā)利用卻十分落后，目前仍以出口原料為主。由于海泡石比表面積僅次于活性炭，其價(jià)格僅為其十幾分之一，所以應(yīng)用前景十分廣泛。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種原料廉價(jià)、環(huán)境污染小的碳化硅納米多孔材料的制備方法，包括以下步驟:
[0008](I)在60?65°C水浴下向含有1g海泡石的懸濁液中滴加含8?16mmol的八烷基三甲基溴化銨溶液，八烷基三甲基溴化銨溶液的濃度為I?4mol/L，滴加過程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮2?4mL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)攪拌2?3h，離心分離，將得到的固體物用去離子水洗滌4?5次，100?105°C下烘干，將固體物碾磨成50?80目的粉末，在該過程中陽離子表面活性劑通過靜電作用被作為單分子固定到海泡石表面；
[0009](2)將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)，在500?800 °C下碳化4?6h，再持續(xù)通化冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在海泡石表面形成炭質(zhì)層；
[0010](3)將碳化后的固體物2?4g放入瓶中，加入10?15mL濃度為20?40%的鹽酸溶液，攪拌20?30h，溶解掉海泡石中的鎂氧結(jié)構(gòu)，固液分離，用去離子水清洗，60?70°C恒溫干燥5?6h，得到碳層包覆的氧化硅的碳硅結(jié)合顆粒；
[0011](4)將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為10?15°C /min升溫至600°C，恒溫60?120min，繼續(xù)升溫，速率為10?15°C /min,升溫至1400?1500°C，恒溫240?360min，然后降溫至300?400 °C，通入空氣，煅燒60?120min，冷卻至室溫，將煅燒后的產(chǎn)物浸泡于氫氟酸與鹽酸的混合酸中，氫氟酸與鹽酸的摩爾比為0.5-10:1，混合酸處理時(shí)間為4?24h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至pH = 7后，80?105°C烘干，得到碳化娃納米多孔材料。
[0012]本發(fā)明的有益效果是:
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下述特征和優(yōu)點(diǎn):(I)以納米多孔材料表面包覆的有機(jī)物為碳源，發(fā)揮了海泡石的特殊結(jié)構(gòu)所帶來的比表面積大、微孔規(guī)則的特點(diǎn)，首先在海泡石表面得到碳層，有利于反應(yīng)物硅源與碳源充分接觸，反應(yīng)完全。(2)以海泡石中的硅為原材料，充分利用海泡石的管狀結(jié)構(gòu)，最大化利用碳源和硅源。(3)原料來源廉價(jià)，過程可控，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0014]實(shí)施例1
[0015]在65°C水浴下向含有1g海泡石的懸濁液中滴加含16mmol的八烷基三甲基溴化銨溶液，八烷基三甲基溴化銨溶液的濃度為4mol/L，滴加過程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮4mL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)攪拌3h，離心分離，將得到的固體物用去離子水洗滌5次，105°C下烘干，將固體物碾磨成80目的粉末，在該過程中陽離子表面活性劑通過靜電作用被作為單分子固定到海泡石表面；將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)，在800°C下碳化6h，再持續(xù)通N2冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在海泡石表面形成炭質(zhì)層；將碳化后的固體物4g放入瓶中，加入15mL濃度為40%的鹽酸溶液，攪拌30h，溶解掉海泡石中的鎂氧結(jié)構(gòu)，固液分離，用去離子水清洗，70°C恒溫干燥6h，得到碳層包覆的氧化硅的碳硅結(jié)合顆粒；將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為15°C /min升溫至600°C，恒溫120min，繼續(xù)升溫，速率為15°C /min,升溫至1500°C，恒溫360min，然后降溫至400°C，通入空氣，煅燒120min，冷卻至室溫，將煅燒后的產(chǎn)物浸泡于氫氟酸與鹽酸的混合酸中，氫氟酸與鹽酸的摩爾比為10:1，混合酸處理時(shí)間為24h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至PH = 7后，105°C烘干，得到碳化硅納米多孔材料。
[0016]實(shí)施例2
[0017]在60°C水浴下向含有1g海泡石的懸濁液中滴加含8mmol的八烷基三甲基溴化銨溶液，八烷基三甲基溴化銨溶液的濃度為lmol/L，滴加過程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮2mL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)攪拌2h，離心分離，將得到的固體物用去離子水洗滌4次，100°C下烘干，將固體物碾磨成50目的粉末，在該過程中陽離子表面活性劑通過靜電作用被作為單分子固定到海泡石表面；將粉末置于管式爐中通隊(duì)保護(hù)，在500°C下碳化4h，再持續(xù)通N2冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在海泡石表面形成炭質(zhì)層；將碳化后的固體物2g放入瓶中，加入1mL濃度為20%的鹽酸溶液，攪拌20h，溶解掉海泡石中的鎂氧結(jié)構(gòu)，固液分離，用去離子水清洗，60°C恒溫干燥5h，得到碳層包覆的氧化硅的碳硅結(jié)合顆粒；將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為10°C /min升溫至600°C，恒溫60min，繼續(xù)升溫，速率為10°C /min,升溫至1400°C，恒溫240min，然后降溫至300°C，通入空氣，煅燒60min，冷卻至室溫，將煅燒后的產(chǎn)物浸泡于氫氟酸與鹽酸的混合酸中，氫氟酸與鹽酸的摩爾比為0.5:1，混合酸處理時(shí)間為4h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至pH=7后，80°C烘干，得到碳化硅納米多孔材料。
[0018]實(shí)施例3
[0019]在65°C水浴下向含有1g海泡石的懸濁液中滴加含1mmol的八烷基三甲基溴化銨溶液，八烷基三甲基溴化銨溶液的濃度為2mol/L，滴加過程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮3mL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)攪拌3h，離心分離，將得到的固體物用去離子水洗滌5次，105°C下烘干，將固體物碾磨成80目的粉末，在該過程中陽離子表面活性劑通過靜電作用被作為單分子固定到海泡石表面；將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)，在800°C下碳化6h，再持續(xù)通N2冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在海泡石表面形成炭質(zhì)層；將碳化后的固體物4g放入瓶中，加入15mL濃度為40%的鹽酸溶液，攪拌30h，溶解掉海泡石中的鎂氧結(jié)構(gòu)，固液分離，用去離子水清洗，70°C恒溫干燥6h，得到碳層包覆的氧化硅的碳硅結(jié)合顆粒；將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為15°C /min升溫至600°C，恒溫120min，繼續(xù)升溫，速率為15°C /min,升溫至1500°C，恒溫360min，然后降溫至400°C，通入空氣，煅燒120min，冷卻至室溫，將煅燒后的產(chǎn)物浸泡于氫氟酸與鹽酸的混合酸中，氫氟酸與鹽酸的摩爾比為10:1，混合酸處理時(shí)間為24h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至PH = 7后，105°C烘干，得到碳化硅納米多孔材料。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳化娃納米多孔材料的制備方法，其特征是依次包括如下步驟: (1)在60?65°C水浴下向含有1g海泡石的懸濁液中滴加含8?16mmol的八烷基三甲基溴化銨溶液，八烷基三甲基溴化銨溶液的濃度為I?4mol/L，滴加過程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮2?4mL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)攪拌2?3h，離心分離，將得到的固體物用去離子水洗滌4?5次，100?105°C下烘干，將固體物碾磨成50?80目的粉末，在該過程中陽離子表面活性劑通過靜電作用被作為單分子固定到海泡石表面； (2)將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)，在500?800°C下碳化4?6h，再持續(xù)通N2冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在海泡石表面形成炭質(zhì)層； (3)將碳化后的固體物2?4g放入瓶中，加入10?15mL濃度為20?40%的鹽酸溶液，攪拌20?30h，溶解掉海泡石中的鎂氧結(jié)構(gòu)，固液分離，用去離子水清洗，60?70°C恒溫干燥5?6h，得到碳層包覆的氧化硅的碳硅結(jié)合顆粒； (4)將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為10?15°C/min升溫至600。。，恒溫60?120min，繼續(xù)升溫，速率為10?15°C /min，升溫至1400?1500。。，恒溫240?360min，然后降溫至300?400 °C，通入空氣，煅燒60?120min，冷卻至室溫，將煅燒后的產(chǎn)物浸泡于氫氟酸與鹽酸的混合酸中，氫氟酸與鹽酸的摩爾比為0.5-10:1，混合酸處理時(shí)間為4?24h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至pH = 7后，80?105°C烘干，得到碳化娃納米多孔材料。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種碳化硅納米多孔材料的制備方法。依次包括如下步驟：在水浴下向海泡石的懸濁液中滴加八烷基三甲基溴化銨溶液，滴加完畢后再滴加丙酮，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)攪拌，最后離心分離，洗滌烘干并研磨；將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)下碳化，將碳化后的固體物放入瓶中，加入鹽酸溶液，攪拌，固液分離，洗滌，烘干；將得到的顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，程序升溫煅燒后冷卻至室溫，將煅燒的產(chǎn)物浸泡于氫氟酸與鹽酸的混合酸中，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌烘干，得到碳化硅納米多孔材料。該方法以海泡石中的硅為原材料，充分利用海泡石的多孔結(jié)構(gòu)，原料來源廉價(jià)，過程可控，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【IPC分類】B82Y40/00, C01B31/36
【公開號(hào)】CN105036136
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510512302
【發(fā)明人】馬建鋒, 劉青, 姚超
【申請(qǐng)人】常州大學(xué)
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年8月19日