CN101525135B - 一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，它以硅粉为硅源，以石墨或碳纳米管为碳源，将硅源、碳源、钠和硫或者将硅源、碳源、钠和碘于反应釜中加热到200-600℃，使硅源和碳源在钠与硫或碘的辅助反应诱发下反应，然后直接冷却或保温后冷却至室温，最后经除杂干燥制得碳化硅或碳化硅纳米管。该种方法产率高，反应温度低，反应时间短，节约能源，可重复性好，操作简单、无污染、辅助反应的反应物和生成物易清除，有利于SiC的大量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，具体为一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，属于无机非金属材料技术领域。
背景技术
碳化硅(SiC)具有一系列独特的性能，如低密度、高强度、高热导率、宽带隙(2.2eV)高温稳定性好、热膨胀系数小、耐热冲击、耐辐照、介电常数小、吸波性能好、化学稳定性高等，可广泛用于加工发动机、航天飞行器零部件，制造高温及苛刻条件下使用的高频率、高功率密度的半导体器件，加工抗辐射电子器件，作为耐磨材料和生物材料以及催化剂载体等。最近的研究表明，SiC还可以用于制备微纳米级的金刚石。近十几年来，SiC在纳米技术及微纳米器件方面的潜在应用价值也引起了国内外研究人员的极大关注。理论研究表明，SiC纳米管具有优异的储氢性能，其低压储氢量比碳纳米管高两倍以上。
目前SiC的制备技术主要包括：(1)1550-1800℃碳热还原二氧化硅法；(2)2000℃左右自蔓延高温合成法；(3)1500℃左右聚硅烷高温分解法；(4)1500℃左右溶胶-凝胶法；(5)等离子诱发法；(6)1000℃左右高频微波辐照法；(7)400-700℃热还原碳化法；(8)600-700℃溶剂热合成法；(9)460℃超临界二氧化碳还原法；(10)130℃硫辅助还原法。其中制备技术(1)-(6)是在高温下进行，设备和工艺流程复杂，反应时间长，成本高，效率低，而制备技术(7)-(10)虽然反应温度较低，但由于使用了较多的液态反应物(其中SiCl4极易水解)，反应过程中产生较高的压力，使反应过程的控制难度提高。因此，探索低温合成SiC技术对促进其应用具有极其重要的意义。
发明内容
本发明的目的是克服现有碳化硅制备技术的不足，提供了一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法。
本发明解决问题采取的技术方案是：
一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，其特征是，以硅粉为硅源，以石墨或碳纳米管为碳源，将硅源、碳源、钠和硫或者将硅源、碳源、钠和碘于反应釜中加热到200-600℃，使硅源和碳源在钠与硫或碘的辅助反应诱发下反应，然后直接冷却或保温后冷却至室温，最后经除杂干燥制得碳化硅或碳化硅纳米管。
所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，其中所述的硅源、碳源、钠和硫的摩尔比为1∶1∶2n∶n，n大于等于1；所述的硅源、碳源、钠和碘的摩尔比为1∶1∶2n∶n，n大于等于1。
所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，其中所述的反应釜在加热前先封紧。
所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，其中所述的除杂是先用无水乙醇和氢氧化钠清洗并抽滤，再用去离子水清洗并抽滤。
所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，其中所述的干燥是在50℃温度下烘干6小时。
所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，其中所述的钠与硫的辅助反应诱发下，制备碳化硅或碳化硅纳米管的反应式为：
Si+C+2nNa+nS＝SiC+nNa2S
所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法，其中所述的钠与碘的辅助反应诱发下，制备碳化硅或碳化硅纳米管的反应式为：
Si+C+2nNa+nI2＝SiC+2nNaI
本发明所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法得到的碳化硅产物的X-射线衍射图如图1，图中各衍射峰与面心立方结构的碳化硅相吻合，晶格常数为a＝4.363。碳化硅纳米管产物的形貌如图2，主要由直径为60-80nm的组成，碳化硅纳米管的直径略大于原始碳纳米管的直径40-60nm；碳化硅纳米管产物的红外吸收光谱如图3，位于波数815cm-1附近的吸收峰对应Si-C键的伸缩振动，说明产物主要由SiC组成。
本发明所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的方法的特点是：
(1)制备的碳化硅纳米颗粒直径在80-100nm之间，制备的碳化硅纳米管直径在60-80nm左右，长度从数百纳米到几千纳米，产率较高，不低于90％；
(2)反应温度低，反应时间短，节约能源，可重复性好，操作简单、无污染、辅助反应的反应物和生成物易清除，有利于SiC的大量生产；
(3)便于获得SiC纳米管，有助于SiC纳米管相关性能的研究探索。
附图说明
图1是通过0.7g Si，0.3g石墨，4g钠，2.4g硫分别在200℃、300℃、400℃、500℃、600℃反应后制得产物的X-射线衍射图。
图2是硅粉与碳纳米管、钠、硫反应产物的形貌图。
图3是硅粉与碳纳米管、钠、硫反应产物的红外吸收光谱。
具体实施方式
下面通过具体实施方式和实施例进一步说明本发明。
低温辅助反应诱发合成碳化硅或碳化硅纳米管的步骤：
(1)按照一定的摩尔比用天平称取适量的硅粉、石墨(或直径为40-60nm碳纳米管)、钠和硫(或碘)，装入不锈钢反应釜中，反应釜封紧后，在加热炉中加热到200℃～600℃，使反应物之间发生反应，然后直接冷却或保温后冷却至室温。
(2)反应产物经无水乙醇、氢氧化钠清洗、抽滤，除去残余反应物硅；再用去离子水清洗、抽滤，除去反应副产物Na2S或NaI；所得产物在50℃温度下烘干6小时后，得到灰黑色粉末。
实施例1
通过钠和硫之间的辅助反应诱发硅与碳纳米管反应制备碳化硅纳米管。用天平称取0.7g硅粉、0.3g碳纳米管、4g钠和1.6g硫，装入不锈钢反应釜中，反应釜封紧后，在加热炉中加热到600℃，保温5小时后关闭加热炉，使反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经无水乙醇、氢氧化钠溶液清洗，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在50℃烘干6小时后得到灰黑色粉末。
实施例2
通过钠和硫之间的辅助反应诱发硅与碳纳米管反应制备碳化硅纳米管。用天平称取0.7g硅粉、0.3g碳纳米管、4g钠和1.6g硫，装入不锈钢反应釜中，反应釜封紧后，在加热炉中加热到600℃后立即关闭加热炉，使反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经无水乙醇、氢氧化钠溶液清洗，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在50℃烘干6小时后得到灰黑色粉末。
实施例3
通过钠和硫之间的辅助反应诱发硅与碳纳米管反应制备碳化硅纳米管。用天平称取0.7g硅粉、0.3g碳纳米管、3g钠和1.1g硫，装入不锈钢反应釜中，反应釜封紧后，在加热炉中加热到500℃，保温5小时后关闭加热炉，使反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经无水乙醇、氢氧化钠溶液清洗，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在50℃烘干6小时后得到灰黑色粉末。
实施例4
通过钠和碘之间的辅助反应诱发硅与碳纳米管反应制备碳化硅纳米管。用天平称取0.7g硅粉、0.3g碳纳米管、1.15g钠和6.35g碘，装入不锈钢反应釜中，反应釜封紧后，在加热炉中加热到400℃，保温5小时后关闭加热炉，使反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经无水乙醇、氢氧化钠溶液清洗，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在50℃烘干6小时后得到灰黑色粉末。
实施例5
通过钠和硫之间的辅助反应诱发硅与碳纳米管反应制备碳化硅纳米管。用天平称取0.7g硅粉、0.3g碳纳米管、4g钠和1.6g硫，装入不锈钢反应釜中，反应釜封紧后，在加热炉中加热到200℃，保温5小时后关闭加热炉，使反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经无水乙醇、氢氧化钠溶液清洗，再用去离子水清洗至滤液呈中性，然后将产物在50℃烘干6小时后得到黑色粉末。
实施例6
通过钠和硫之间的辅助反应诱发硅与石墨反应制备碳化硅。用天平称取0.7g硅粉、0.3g石墨粉、4g钠和2.4g硫，装入不锈钢反应釜中，反应釜封紧后，在加热炉中加热到600℃，保温5小时后关闭加热炉，使反应釜在炉中自然冷却到室温。反应产物经无水乙醇、氢氧化钠溶液清洗，再用去离子水加热清洗至滤液呈中性，然后将产物在50℃烘干6小时后得到灰黑色粉末。
Claims (4)
1.一种低温辅助反应诱发合成碳化硅纳米颗粒或碳化硅纳米管的方法，其特征是，以硅粉为硅源，以石墨或碳纳米管为碳源，将硅源、碳源、钠和硫或者将硅源、碳源、钠和碘于反应釜中加热到200-600℃，使硅源和碳源在钠与硫或碘的辅助反应诱发下反应，然后直接冷却或保温5小时后冷却至室温，最后经除杂干燥制得碳化硅纳米颗粒或碳化硅纳米管；所述的硅源、碳源、钠和硫的摩尔比为1∶1∶2n∶n，n大于等于1；所述的硅源、碳源、钠和碘的摩尔比为1∶1∶2n∶n，n大于等于1。
2.按照权利要求1所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅纳米颗粒或碳化硅纳米管的方法，其特征是，所述的反应釜在加热前先封紧。
3.按照权利要求1所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅纳米颗粒或碳化硅纳米管的方法，其特征是，所述的除杂是先用无水乙醇和氢氧化钠清洗并抽滤，再用去离子水清洗并抽滤。
4.按照权利要求1所述的一种低温辅助反应诱发合成碳化硅纳米颗粒或碳化硅纳米管的方法，其特征是，所述的干燥是在50℃温度下烘干6小时。
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