CN110371982A - 一种熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法。包括以下步骤：（1）分别称取纳米二氧化硅、镁粉、氯化钠和氯化钾，进行研磨后混合均匀，得a品；（2）将a品放入石墨舟中，再将其放入管式炉加热，冷却后，将石墨舟上的物质取出，得b品；（3）将b品倒入去离子水中清洗，再倒入盐酸溶液中清洗，之后依次采用水和乙醇进行洗涤，抽滤，得c品；（4）将c品干燥后，得到纳米硅。本发明具有还原产率高，纯度高，工艺简单，适合规模化生产的有益效果。

Description

一种熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法
本发明涉及一种镁热还原纳米二氧化硅的方法，特别是一种加入熔盐的镁热还原纳米二氧化硅的方法。
背景技术
由于科学技术的迅速发展，电子设备的应用增多，对于化学电源的需求越来越大。因锂离子电池体积小，便于携带，充放电比容量高且稳定等优点，其应用非常广泛。石墨作为传统的锂离子电池负极材料，其相对低的比容量已无法满足日益增长的商业需求这使得锂离子电池的推广受到限制。因此开发高稳定性、高比容量、高充放电效率、高循环性能、放电平台稳定和较低成本的锂离子电池负极材料成为主流趋势。
在锂离子电池负极材料的研究中，硅基材料具有较高的理论比容量，安全无污染，因而备受关注。但是市面上的硅纯度不高同时尺寸较大，因而难以满足做为锂离子电池负极材料的需要。所以制备一种尺寸小、纯度高的硅材料就显得尤为重要。
镁热还原法是一种低成本、可扩展的制备硅材料的方法。自2007 年以来，通过镁热还原法还原不同的硅源已制备出多种硅纳米结构，其中有纳米晶体、纳米管、纳米线等。然而，由于镁热还原过程是一个自发放热反应，使得实验过程中局部温度达到1941 ℃，远远超过了加热温度，导致硅晶粒过度生长，难以得到纳米硅材料。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法。本发明具有还原产率高，纯度高，工艺简单，适合规模化生产的特点。
本发明的技术方案：一种熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，包括以下步骤：
（1）分别称取纳米二氧化硅、镁粉、氯化钠和氯化钾，进行研磨后混合均匀，得a品；
（2）将a品放入石墨舟中，再将其放入管式炉加热，冷却后，将石墨舟上的物质取出，得b品；
（3）将b品倒入去离子水中清洗，再倒入盐酸溶液中清洗，之后依次采用水和乙醇进行洗涤，抽滤，得c品；
（4）将c品干燥后，得到纳米二氧化硅。
前述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法中，所述步骤（1）中，纳米二氧化硅、镁粉、氯化钠和氯化钾的质量比为1:1:1:1。
前述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法中，所述步骤（2）中，再将其放入管式炉加热具体是：将其放入管式炉后，通入氩气，在升温速率为5℃/min,升温至800℃后，保温3小时。
前述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法中，所述步骤（3）中，盐酸溶液的浓度为0.5-1.5mol/L。
前述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法中，所述步骤（3）中，将b品倒入去离子水中清洗去除熔盐。
前述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法中，所述步骤（3）中，再倒入盐酸溶液中清洗去除多余副产物。
前述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法中，所述步骤（4）中，干燥的温度为50-70℃，干燥时间为10-12h。
本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：
1. 本发明通过分别称取纳米二氧化硅、镁粉、氯化钠和氯化钾的质量比为1:1:1:1进行研磨，使得反应更加完全；通过在氩气气氛中加热还原，隔绝了氧气，在800℃的条件下进行保温，有利于反应的进行；通过去离子水中清洗去除熔盐，盐酸溶液中清洗去除多余副产物，之后依次采用水和乙醇进行洗涤，去除多余的杂质，提高纳米硅纯度。
2. 现有镁热还原法还原纳米二氧化硅会导致硅晶粒过度增长，进而使得还原率和纯度都比较低；而本发明利用加入氯化钠和氯化钾二元盐（熔盐）作为吸热剂，用以吸收镁热还原过程放出的热量，防止硅晶粒过大增长，提高了还原的产率和纯度。
3. 本发明还原的纳米硅材料首次脱锂比容量可以达到3527 mAh·g-1,而未加熔盐的镁热还原法首次脱锂比容量只能达到1934 mAh·g-1，说明本发明的方法可以提高还原的纯度。另外，本发明所采用的方法还原纳米二氧化硅产率达82%，工艺简单、成本低廉，适合规模化生产。
试验证明：
申请人对本发明实施例制备得到的纳米硅进行以下试验，如下所示：
1、本发明纳米硅的XRD，如图1所示，图中的所有特征峰都可以和硅完全重合，证实了还原出的产物为晶体硅。
2、本发明纳米硅的扫描电镜(SEM)图，如图2所示，可以看到许多小颗粒，尺寸为纳米级。
3、本发明纳米硅首次脱锂比容量与未加熔盐还原得到的纳米硅的首次脱锂比容量的对比图，如图3所示，可以看出加熔盐之后电池的首次脱锂比容量可以达到3527 mAh·g-1，而未加熔盐的只能达到1934 mAh·g-1，说明加熔盐之后的还原纯度更高。
综上所述，本发明具有还原产率高，纯度高，工艺简单，适合规模化生产的有益效果。
附图说明
图 1 是本发明纳米硅的XRD；
图 2 是本发明纳米硅的扫描电镜(SEM)图；
图 3 是本发明纳米硅的首次脱锂比容量与未加熔盐还原得到的纳米硅的首次脱锂比容量的对比图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例1。一种熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，包括以下步骤：
（1）分别称取10g纳米二氧化硅、10g镁粉、10g氯化钠和10g氯化钾，进行研磨后混合均匀，得a品；
（2）将a品放入石墨舟中，再将其放入管式炉后，通入氩气，在升温速率为5℃/min,升温至800℃后，保温3小时，冷却后，将石墨舟上的物质取出，得b品；
（3）将b品倒入去离子水中清洗，再倒入0.5mol/L盐酸溶液中清洗12h，之后依次采用水和乙醇进行洗涤，抽滤，得c品；
（4）将c品在50℃的温度下，干燥10h，得到纳米硅。
实施例2。一种熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，包括以下步骤：
（1）分别称取8g纳米二氧化硅、8g镁粉、8g氯化钠和8g氯化钾，进行研磨后混合均匀，得a品；
（2）将a品放入石墨舟中，再将其放入管式炉后，通入氩气，在升温速率为5℃/min,升温至800℃后，保温3小时，冷却后，将石墨舟上的物质取出，得b品；
（3）将b品倒入去离子水中清洗，再倒入1mol/L盐酸溶液中清洗12h，之后依次采用水和乙醇进行洗涤，抽滤，得c品；
（4）将c品在60℃的温度下，干燥11h，得到纳米硅。
实施例3。一种熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，包括以下步骤：
（1）分别称取15g纳米二氧化硅、15g镁粉、15g氯化钠和15g氯化钾，进行研磨后混合均匀，得a品；
（2）将a品放入石墨舟中，再将其放入管式炉后，通入氩气，在升温速率为5℃/min,升温至800℃后，保温3小时，冷却后，将石墨舟上的物质取出，得b品；
（3）将b品倒入去离子水中清洗，再倒入1.5mol/L盐酸溶液中清洗12h，之后依次采用水和乙醇进行洗涤，抽滤，得c品；
（4）将c品在70℃的温度下，干燥12h，得到纳米硅。

Claims (7)

1.一种熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）分别称取纳米二氧化硅、镁粉、氯化钠和氯化钾，进行研磨后混合均匀，得a品；
（2）将a品放入石墨舟中，再将其放入管式炉加热，冷却后，将石墨舟上的物质取出，得b品；
（3）将b品倒入去离子水中清洗，再倒入盐酸溶液中清洗，之后依次采用水和乙醇进行洗涤，抽滤，得c品；
（4）将c品干燥后，得到纳米硅。
2.根据权利要求1所述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，其特征在于：所述步骤（1）中，纳米二氧化硅、镁粉、氯化钠和氯化钾的质量比为1:1:1:1。
3.根据权利要求1所述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，其特征在于：所述步骤（2）中，再将其放入管式炉加热具体是：将其放入管式炉后，通入氩气，在升温速率为5℃/min,升温至800℃后，保温3小时。
4.根据权利要求1所述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，盐酸溶液的浓度为0.5-1.5mol/L。
5.根据权利要求1所述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，将b品倒入去离子水中清洗去除熔盐。
6.根据权利要求1所述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，其特征在于：所述步骤（3）中，再倒入盐酸溶液中清洗去除多余副产物。
7.根据权利要求1所述的熔盐镁热还原法还原纳米二氧化硅的方法，其特征在于：所述步骤（4）中，干燥的温度为50-70℃，干燥时间为10-12h。
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