一種碳化硅納米片的制備方法
【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片的制備方法。
【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、高壓半導體。
[0003]目前，制備SiC納米材料的主要方法有模板生長法、碳熱還原法、化學氣相沉積法和有機前驅(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)對于推動二維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]膨潤土是以蒙脫石(Montmorillonite)為主要礦物的粘土巖。蒙脫石是一種含水的層狀鋁硅酸鹽礦物，由兩個硅氧四面體中間夾一個鋁(鎂)氧(氫氧)八面體組成，屬于2:1型的三層粘土礦物。晶層間距離為0.96?2.14nm，這些納米片層團聚在一起，形成幾百納米到幾微米的粘土顆粒。膨潤土有很強的陽離子交換能力，在一定的物理-化學條件下，Ca' Mg' Na\ K\ Fe' Cu2+等可相互交換。陽離子交換性是膨潤土的重要工藝特性，利用這一特性，可以對膨潤土進行改性并利用，如制備膨潤土負載催化劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]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、環(huán)境污染小的碳化硅納米片的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)在60?65°C水浴下向含有1g膨潤土的懸池液中滴加含5?1mmol的十六烷基三甲基溴化銨溶液，十六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I?3mL，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離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤土層間；
[0008](2)將粉末置于管式爐中通N2保護，在500?800 °C下碳化4?6h，再持續(xù)通化冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在膨潤土層間形成炭質(zhì)片層；
[0009](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5?10h，溶解掉膨潤土中的鋁氧結(jié)構(gòu)，固液分離，用去離子水清洗，60?70°C恒溫干燥5?6h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)的碳硅結(jié)合顆粒；
[0010](4)將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護下，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，得到碳化硅納米片。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下述特征和優(yōu)點:(I)以層間有機物為碳源，發(fā)揮了膨潤土的特殊結(jié)構(gòu)所帶來的內(nèi)比表面積大、層間厚度薄的特點，首先在膨潤土層間制備得到碳層，有利于反應(yīng)物硅源與碳源充分接觸，反應(yīng)完全。(2)以膨潤土片層的硅為原材料，充分利用膨潤土的層狀結(jié)構(gòu)，使硅源與碳源能層層相間，最大化利用碳源和硅源。(3)原料來源廉價，過程可控，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實施方式】
[0013]實施例1
[0014]在65°C水浴下向含有1g膨潤土的懸濁液中滴加含1mmol的十六烷基三甲基溴化銨溶液，十六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lmL，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離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤土層間；將粉末置于管式爐中通N2保護，在800°C下碳化6h，再持續(xù)通隊冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在膨潤土層間形成炭質(zhì)片層；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10h，溶解掉膨潤土中的鋁氧化物，固液分離，用去離子水清洗，70°C恒溫干燥6h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)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10°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，得到碳化硅納米片。
[0015]實施例2
[0016]在60°C水浴下向含有1g膨潤土的懸濁液中滴加含5mmol的十六烷基三甲基溴化銨溶液，十六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離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤土層間；將粉末置于管式爐中通N2保護，在500°C下碳化4h，再持續(xù)通隊冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在膨潤土層間形成炭質(zhì)片層；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5h，溶解掉膨潤土中的鋁氧化物，固液分離，用去離子水清洗，60°C恒溫干燥5h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)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15°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，得到碳化硅納米片。
[0017]實施例3
[0018]在60°C水浴下向含有1g膨潤土的懸濁液中滴加含Smmol的十六烷基三甲基溴化銨溶液，十六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3mL，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80目的粉末，在該過程中陽離子表面活性劑通過離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤土層間；將粉末置于管式爐中通N2保護，在800°C下碳化5h，再持續(xù)通隊冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在膨潤土層間形成炭質(zhì)片層；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10h，溶解掉膨潤土中的鋁氧化物，固液分離，用去離子水清洗，70°C恒溫干燥6h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)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lOOmin，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，得到碳化硅納米片。
【主權(quán)項】
1.一種碳化娃納米片的制備方法，其特征是依次包括如下步驟: (1)在60?65°C水浴下向含有1g膨潤土的懸池液中滴加含5?1mmol的十六燒基三甲基溴化銨溶液，十六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I?3mL，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離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤土層間； (2)將粉末置于管式爐中通N2保護，在500?800°C下碳化4?6h，再持續(xù)通N2冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在膨潤土層間形成炭質(zhì)片層； (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5?10h，溶解掉膨潤土中的鋁氧結(jié)構(gòu)，固液分離，用去離子水清洗，60?70°C恒溫干燥5?6h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)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，得到碳化硅納米片。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種碳化硅納米片的制備方法，包括以下步驟：在水浴下向膨潤土的懸濁液中滴加十六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，得到碳化硅納米片。該方法以膨潤土中的硅為原材料，充分利用膨潤土的片層結(jié)構(gòu)，原料來源廉價，過程可控，易于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【IPC分類】C01B31/36, B82Y30/00, B82Y40/00
【公開號】CN105129802
【申請?zhí)枴緾N201510510568
【發(fā)明人】馬建鋒, 劉青, 姚超
【申請人】常州大學
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年8月19日