一种硅纳米棒、制备方法及其应用
阅读：268发布：2020-05-11
专利汇可以提供一种硅纳米棒、制备方法及其应用专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种 硅 纳米棒 、制备方法及其应用，所述制备方法，包括如下步骤：步骤1：将 硅酸 酯、 碱 、还原醇充分混合，得到 混合液 ；步骤2：将混合液中加入 有机 溶剂 和添加剂，充分混合，得到前驱体溶液；步骤3：将前驱体溶液进行溶剂热 氧 化还原反应，得到反应浆料；步骤4：将反应浆料冷却后固液分离得到固态物，对所述固态物洗涤和 真空 干燥处理，得到硅纳米棒。本 发明 采用溶剂热反应，制备条件简单，且原料便宜易得，绿色环保，制作成本低廉；而且制得的目的产物为棒状的硅纳米，棒长和棒直径均一，目的产物产量高。，下面是一种硅纳米棒、制备方法及其应用专利的具体信息内容。
1.一种硅纳米棒的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将硅酸酯、碱、还原醇充分混合，得到混合液；
步骤2：将所述混合液中加入有机溶剂和添加剂，充分混合，得到前驱体溶液；
步骤3：将所述前驱体溶液进行溶剂热氧化还原反应，得到反应浆料；
步骤4：将反应浆料冷却后固液分离得到固态物，对所述固态物洗涤和真空干燥处理，得到硅纳米棒。
2.根据权利要求1所述的一种硅纳米棒的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述充分混合的操作具体包括在温度为80℃～120℃下，搅拌15min～60min。
3.根据权利要求1所述的一种硅纳米棒的制备方法，其特征在于，所述步骤1中，所述硅酸酯、碱、还原醇的重量比为(1～1.1)：(7～9)：(1500～2000)；
作为优选，所述硅酸酯包括正硅酸乙酯；
作为优选，所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾或者氢氧化锂；
作为优选，所述还原醇包括乙二醇。
4.根据权利要求1所述的一种硅纳米棒的制备方法，其特征在于，所述步骤2中，所述混合溶液、有机溶剂、添加剂的重量比为20：(0.1～0.5)：(2～5)；
作为优选，所述步骤2中，所述有机溶剂包括聚乙烯醇缩丁醛；
作为优选，所述步骤2中，所述添加剂包括抗坏血酸水溶液，其中抗坏血酸的质量浓度为15wt％～25wt％。
5.根据权利要求1所述的一种硅纳米棒的制备方法，其特征在于，所述步骤3中，所述溶剂热氧化还原反应的条件包括：120℃～160℃下，密闭，反应8h～16h。
6.根据权利要求1所述的一种硅纳米棒的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，所述固液分离采用离心分离，转速为5000r/min～10000r/min、时间为5min～15min。
7.根据权利要求1所述的一种硅纳米棒的制备方法，其特征在于，所述步骤4中，对固态物洗涤的具体操作包括使用乙醇和水对所述固态物进行3～5次交替清洗。
8.一种硅纳米棒，其特征在于，采用如权利要求1至7任一项所述的硅纳米棒的制备方法制备得到。
9.根据权利要求8所述的硅纳米棒，其特征在于，所述硅纳米棒的棒长为0.1μm～10μm、棒直径为50nm～200nm。
10.一种如权利要求8或9所述的硅纳米棒在硅电池中的应用。
一种硅纳米棒、制备方法及其应用
技术领域
背景技术
[0002] 由于环境和能源问题日益严峻，对绿色能源的开发越来越重要，因而研究与发展电化学储能的技术也已成为了研究者们所聚焦的一个有效方向。从二十世纪七十年代开始，很多研究者因为锂离子电池具有能量密度大、自放电低、平均输出电压高、使用的寿命长而且无记忆效应等众多优点对其展开了研究工作。从锂离子电池的发展史看来，锂离子电池的负极材料的研究对锂离子电池的发展起到了至关重要的作用，而碳电极的出现对金属锂电极的安全带来了福音，从而使锂离子电池能够在商业化方面的应用得到了飞速的发展。另一方面相对于目前迅猛发展的科技来说，石墨负极材料的理论容量相对较低，仅372mAh/g，虽然实际的容量已经非常接近理论容量，但是已经不能满足现在社会的需求。因此，对于高容量的锂离子负极材料的开发迫在眉睫。研究发现，硅的理论比容量是非常高的，高达4200mAh/g，成为了最有潜力取代石墨的高容量负极材料之一。然而，硅在电池中的应用存在的缺点是在充放电过程中具有非常强烈的体积膨胀效应和较低的电子电导率和离子电导率较低。体积膨胀致使了导电颗粒的粉化，会对电池系统进行破坏，所以硅电极的循环稳定性比较差，限制了硅作为电极材料方面的应用，较低的电导率和离子电导率增大电池的内阻等。但是，硅的纳米化可以有效的降低其体积效应，提高硅电极材料的循环稳定性。而纳米棒状结构可以提高电子电导率和离子电导率。这些都对实现硅电极电池在商业化的发展中起着非常重要的作用。
[0003] 纳米硅的制备方法有化学气相沉积、模板法等。模板法有镁热还原、碳热还原、SiHCl3的氢化、电化学法等。而最常用方法是化学气相沉积，此法对硅烷等含有硅的有机物气相裂解制备，该制备纳米硅的方法不但成本很高，而且可能会发生爆炸的危险。另外，纳米硅的制备方法还有镁热还原，这种方法首先要制备出纳米氧化硅，然后主要依靠高温条件下镁还原氧化硅，工序比较繁杂且在制备过程中存在不能充分反应的氧化硅需要用氢氟酸腐蚀掉，易造成环境污染且制备成本高。目前纳米硅的形貌多为球状、纳米线、纳米片状等，尚未有棒状纳米硅制备方法的报道。
发明内容
[0004] 本发明的主要目的在于提供一种硅纳米棒、制备方法及其应用，以解决现有制备纳米硅工艺存在安全性能差、易造成环境污染且制备成本高以及形貌不能为棒状的技术问题。
[0005] 为实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种硅纳米棒的制备方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤3：将前驱体溶液进行溶剂热氧化还原反应，得到反应浆料；
[0009] 步骤4：将反应浆料冷却后固液分离得到固态物，对所述固态物洗涤和真空干燥处理，得到硅纳米棒。
[0010] 作为优选，所述步骤1中，所述充分混合的操作具体包括在温度为80℃～120℃下，搅拌15min～60min。
[0011] 作为优选，所述步骤1中，所述硅酸酯、碱、还原醇的重量比为(1～1.1)：(7～9)：(1500～2000)；
[0012] 作为优选，所述硅酸酯包括正硅酸乙酯；
[0013] 作为优选，所述碱包括氢氧化钠、氢氧化钾或者氢氧化锂。
[0014] 作为优选，所述还原醇包括乙二醇。
[0015] 作为优选，所述步骤2中，所述混合溶液、有机溶剂、添加剂的重量比为20：(0.1～0.5)：(2～5)；
[0016] 作为优选，所述步骤2中，所述有机溶剂包括聚乙烯醇缩丁醛；
[0018] 作为优选，所述步骤3中，所述溶剂热氧化还原反应的条件包括：120℃～160℃下，密闭，反应8h～16h。
[0019] 作为优选，所述步骤4中，所述固液分离采用离心分离，转速为5000r/min～10000r/min、时间为5min～15min。
[0020] 作为优选，所述步骤4中，对固态物洗涤的具体操作包括使用乙醇和水对所述固态物进行3～5次交替清洗。
[0021] 作为本发明的另一个方面，还提供一种硅纳米棒，采用如上述的硅纳米棒的制备方法制备得到。
[0022] 作为优选，所述硅纳米棒的棒长为0.1μm～10μm、棒直径为50nm～200nm。
[0023] 作为本发明的再一个方面，还提供一种如上述的硅纳米棒在硅电池中的应用。
[0024] 本发明的硅纳米棒、制备方法及其应用具有以下优点：
[0025] (1)采用溶剂热反应，制备条件简单，且原料便宜易得，绿色环保，制作成本低廉；
[0026] (2)制得的目的产物为棒状的纳米硅，棒长和棒直径均一，且目的产物产量高；
[0028] 图1为本发明实施例1制备的硅纳米棒的扫描电镜图；
[0029] 图2为本发明实施例5制备的硅纳米棒的扫描电镜图；
[0030] 图3为本发明对比例1制备的产物的扫描电镜图。
具体实施方式
[0031] 为了更好地了解本发明的目的、技术方案和优点，下面结合附图，对本发明一种硅纳米棒、制备方法及其应用做进一步详细的描述。
[0032] 作为本发明的一个方面，提供一种硅纳米棒的制备方法，包括如下步骤：
[0033] 步骤1：将硅酸酯、碱、还原醇充分混合，得到混合液；
[0034] 在本发明的实施例中，所述步骤1中，所述充分混合的操作具体包括在温度为80℃～120℃下，搅拌15min～60min。
[0035] 在本发明的实施例中，所述步骤1中，所述硅酸酯、碱、还原醇的重量比为(1～1.1)：(7～9)：(1500～2000)；
[0036] 在本发明的实施例中，所述硅酸酯作为提供硅源的原料，包括正硅酸乙酯，但并不局限于此，还可以为正硅酸四甲酯等；
[0037] 在本发明的实施例中，所述碱并不局限于为氢氧化钠，还可以为氢氧化钾或者氢氧化锂。
[0038] 在本发明的实施例中，所述还原醇包括乙二醇、丁二醇等，选用乙二醇因其为常用还原剂，性能稳定。
[0039] 步骤2：将混合液中加入有机溶剂和添加剂，充分混合，得到前驱体溶液；
[0040] 在本发明的实施例中，所述步骤2中，所述混合溶液、有机溶剂、添加剂的重量比为20：(0.1～0.5)：(2～5)；
[0041] 在本发明的实施例中，所述步骤2中，所述有机溶剂包括聚乙烯醇缩丁醛；
[0042] 其中，聚乙烯醇缩丁醛是水溶性高分子化合物，应用到本发明实施例中，提高颗粒的分散性。
[0043] 在本发明的实施例中，所述步骤2中，所述添加剂包括抗坏血酸水溶液，其中抗坏血酸的质量浓度为15wt％～25wt％。
[0044] 其中，抗坏血酸具有抗氧化性、酸性，但更为重要的是，应用于本发明实施例中，可调控合成的产物为纳米棒状结构。
[0045] 步骤3：将前驱体溶液进行溶剂热氧化还原反应，得到反应浆料；
[0046] 在本发明的实施例中，所述步骤3中，所述溶剂热氧化还原反应的条件包括：120℃～160℃下，密闭，反应8h～16h。
[0047] 其中，本发明实施例中，主要利用还原醇通过溶剂热氧化还原反应将Si4+还原为Si，形成最终目的产物硅纳米棒。
[0048] 步骤4：将反应浆料冷却后固液分离得到固态物，对所述固态物洗涤和真空干燥处理，得到硅纳米棒。
[0049] 在本发明实施例中，所述步骤4中，所述固液分离采用离心分离，转速为5000r/min～10000r/min、时间为5min～15min。
[0050] 其中，所述步骤4中，对固态物洗涤的具体操作为，使用乙醇和水对所述固态物进行3～5次交替清洗；其中，洗涤时，分离固态物的方法也为离心分离。
[0051] 作为本发明的另一个方面，还提供一种硅纳米棒，采用如上述的硅纳米棒的制备方法制备得到。
[0052] 在本发明的实施例中，所述硅纳米棒的棒长为0.1μm～10μm、棒直径为50nm～200nm。
[0053] 本发明得到的目的产物-硅纳米棒，产量高，且棒长和棒直径均一。
[0054] 作为本发明的再一个方面，还提供一种如上述的硅纳米棒在硅电池中的应用。
[0055] 值得一提的是，硅材料，形成纳米棒状结构提高了电子导电率和离子导电率；且，本发明实施例得到的硅纳米棒可以作为模版，在相应金属阳离子存在的条件下，转化为各种硅化物纳米棒，如TiSi2、FeSi、MoSi2、WSi2等。
[0056] 下面通过实例做进一步说明硅纳米棒的制备方法，但不局限于下述实施例，任何依据本发明的技术方案所做的等效变换，均属于本发明所保护的范围。
[0057] 实施例1
[0058] 步骤1，先按正硅酸乙酯、碱和乙二醇的重量比为1：8：1750的比例将三者搅拌混合；其中，碱为氢氧化钠，混合时的温度为100℃、搅拌时间为30min，得到混合液。再向混合液中加入聚乙烯醇缩丁醛和20wt％的抗坏血酸水溶液，得到前驱体溶液；其中，前驱体溶液中的混合液、聚乙烯醇缩丁醛和抗坏血酸水溶液的重量比20：0.3：3.5。
[0059] 步骤2，先将前驱体溶液置于140℃下密闭反应12h，得到反应浆料。再对冷却后的反应浆料进行固液分离和洗涤的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为8000r/min、时间为10min，洗涤处理为使用乙醇和水对分离得到的固态物进行4次的交替清洗，清洗时分离固态物为离心分离。得到实施例1的硅纳米棒。
[0060] 对实施例1的硅纳米棒进行扫描电镜SEM表征，如图1所示，实施例1制备的硅纳米棒呈直径均一的棒状，其棒长约为8μm、棒直径约为90nm。
[0061] 实施例2
[0062] 步骤1，先按正硅酸乙酯、碱和乙二醇的重量比为1：9：1500的比例将三者搅拌混合；其中，碱为氢氧化钾，混合时的温度为80℃、搅拌时间为60min，得到混合液。再向混合液中加入聚乙烯醇缩丁醛和15wt％的抗坏血酸水溶液，得到前驱体溶液；其中，前驱体溶液中的混合液、聚乙烯醇缩丁醛和抗坏血酸水溶液的重量比为20：0.1：2。
[0063] 步骤2，先将前驱体溶液置于120℃下密闭反应16h，得到反应浆料。再对冷却后的反应浆料进行固液分离和洗涤的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为5000r/min、时间为15min，洗涤处理为使用乙醇和水对分离得到的固态物进行5次的交替清洗，清洗时分离固态物为离心分离。得到实施例2的硅纳米棒。实施例2制备的硅纳米棒呈直径均一的棒状，其棒长约为7.9μm、棒直径约为88nm。
[0064] 实施例3
[0065] 步骤1，先按正硅酸乙酯、碱和乙二醇的重量比为1.03：7.8：1700的比例将三者搅拌混合；其中，碱为氢氧化钠，混合时的温度为90℃、搅拌时间为50min，得到混合液。再向混合液中加入聚乙烯醇缩丁醛和18wt％的抗坏血酸水溶液，得到前驱体溶液；其中，前驱体溶液中的混合液、聚乙烯醇缩丁醛和抗坏血酸水溶液的重量比为20：0.25：2.5。
[0066] 步骤2，先将前驱体溶液置于130℃下密闭反应15h，得到反应浆料。再对冷却后的反应浆料进行固液分离和洗涤的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为6000r/min、时间为10min，洗涤处理为使用乙醇和水对分离得到的固态物进行5次的交替清洗，清洗时分离固态物为离心分离。得到实施例3的硅纳米棒。实施例3制备的硅纳米棒呈直径均一的棒状，其棒长约为7.8μm、棒直径约为84nm。
[0067] 实施例4
[0068] 步骤1，先按正硅酸乙酯、碱和乙二醇的重量比为1.05：8.5：1800的比例将三者搅拌混合；其中，碱为氢氧化锂，混合时的温度为110℃、搅拌时间为20min，得到混合液。再向混合液中加入聚乙烯醇缩丁醛和23wt％的抗坏血酸水溶液，得到前驱体溶液；其中，前驱体溶液中的混合液、聚乙烯醇缩丁醛和抗坏血酸水溶液的重量比为20：0.35：3.5。
[0069] 步骤2，先将前驱体溶液置于150℃下密闭反应10h，得到反应浆料。再对冷却后的反应浆料进行固液分离和洗涤的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为9000r/min、时间为5min，洗涤处理为使用乙醇和水对分离得到的固态物进行3次的交替清洗，清洗时分离固态物为离心分离。得到实施例4的硅纳米棒。实施例4制备的硅纳米棒呈直径均一的棒状，其棒长约为7.3μm、棒直径约为83nm。
[0070] 实施例5
[0071] 步骤1，先按正硅酸乙酯、碱和乙二醇的重量比为1.1：9：2000的比例将三者搅拌混合；其中，碱为氢氧化钾，混合时的温度为120℃、搅拌时间为15min，得到混合液。再向混合液中加入聚乙烯醇缩丁醛和25wt％的抗坏血酸水溶液，得到前驱体溶液；其中，前驱体溶液中的混合液、聚乙烯醇缩丁醛和抗坏血酸水溶液的重量比为20：0.5：5。
[0072] 步骤2，先将前驱体溶液置于160℃下密闭反应8h，得到反应浆料。再对冷却后的反应浆料进行固液分离和洗涤的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为10000r/min、时间为5min，洗涤处理为使用乙醇和水对分离得到的固态物进行3次的交替清洗，清洗时分离固态物为离心分离。得到实施例5的硅纳米棒。
[0073] 对实施例5的硅纳米棒进行扫描电镜SEM表征，如图2所示的实施例5的硅纳米棒，实施例5制备的硅纳米棒呈直径均一的棒状，其棒长约为7.9μm、棒直径约为88nm。
[0074] 对比例1
[0075] 步骤1，先按正硅酸乙酯、碱和乙二醇的重量比为1：5：1000的比例将三者搅拌混合；其中，碱为氢氧化钾，混合时的温度为100℃、搅拌时间为30min，得到混合液。再向混合液中加入聚乙烯醇缩丁醛和25wt％的抗坏血酸水溶液，得到前驱体溶液；其中，前驱体溶液中的混合液、聚乙烯醇缩丁醛和抗坏血酸水溶液的重量比为20：0.1：1。
[0076] 步骤2，先将前驱体溶液置于140℃下密闭反应8h，得到反应浆料。再对冷却后的反应浆料进行固液分离和洗涤的处理；其中，固液分离处理为离心分离，其转速为10000r/min、时间为5min，洗涤处理为使用乙醇和水对分离得到的固态物进行3次的交替清洗，清洗时分离固态物为离心分离。得到对比例1的产物。
[0077] 对对比例1的硅纳米棒进行扫描电镜SEM表征，如图3所示，由对比例1制备得到的产物团聚较为严重，且分散性差，纳米棒状态呈现不明显。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 基于3D打印技术制备的可压缩准固态镍铁电池及制备方法 | 2020-05-08 | 989 |
| 一种新型三维分级多孔复合材料、制备方法及其应用 | 2020-05-11 | 598 |
| 一种双功能氧催化剂、一锅法自催化制备方法以及锌空气电池 | 2020-05-08 | 820 |
| 一种电池极片基体、其制备方法和用途 | 2020-05-11 | 252 |
| 一种甲基膦酸二甲酯固态电解质的制备方法及锂离子电池 | 2020-05-08 | 957 |
| 一系列二元硅基产氢材料及其制备方法 | 2020-05-08 | 53 |
| 一种高功率全固态电池及其制备 | 2020-05-08 | 843 |
| 一种刮痧器 | 2020-05-08 | 877 |
| 一种微生物燃料电池及其制备方法与应用 | 2020-05-11 | 832 |
| 智能在线点餐系统 | 2020-05-08 | 523 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈