一種碳化硅納米棒的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于納米材料制備技術領域，尤其涉及一種碳化娃納米棒的制備方法。
【背景技術】
[0002]碳化硅(SiC)俗稱金剛砂，寶石名稱鉆髓，為硅與碳相鍵結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、熱蒸發法、碳熱還原法)或壓力大(溶劑熱法)，涉及過程復雜；(2)產物中常含有金屬雜質(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，也不利于實現二維SiC納米材料的規模化生產。因此，發展新型低成本高純二維SiC納米材料的制備技術對于推動二維SiC納米材料的研究、規模化生產以及在相關高科技領域中的應用具有十分重要的意義。
[0005]凹凸棒石粘土是指以凹凸棒石(attapulgite)為主要組分的一種粘土礦物。凹凸棒石為一種晶質水合鎂鋁硅酸鹽礦物，具有獨特的層鏈狀結構特征，其在水中分散開呈毛發狀或纖維狀，露出巨大的外表面積。在其結構中存在晶格置換，晶體中含有不定量的Na+、Ca' Fe' Al3+，凹凸棒石具有獨特的分散、耐高溫、抗鹽堿等良好的膠體性質和較高的吸附脫色能力，也有一定的陽離子交換能力。

【發明內容】

[0006]為克服上述現有技術的缺陷，本發明提供一種原料廉價、環境污染小的碳化硅納米棒的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)在60?65°C水浴下向含有1g凹凸棒石的懸池液中滴加含2?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I?4mol/L，滴加過程中連續攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮4?6mL，滴加完畢后于相同條件下繼續攪拌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凹凸棒石表面；
[0008](2)將粉末置于管式爐中通N2保護，在500?800 °C下碳化4?6h，再持續通化冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在凹凸棒石表面形成炭質層；
[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20?30h，溶解掉凹凸棒石中的鋁氧結構，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合顆粒；
[0010](4)將碳硅結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，得到碳化娃納米棒。
[0011]本發明的有益效果是:
[0012]本發明與現有技術相比具有下述特征和優點:(I)以納米棒狀材料表面包覆的有機物為碳源，發揮了凹凸棒石的特殊結構所帶來的比表面積大、棒狀直徑小的特點，首先在凹凸棒石表面得到碳層，有利于反應物硅源與碳源充分接觸，反應完全。(2)以凹凸棒石中的的硅為原材料，充分利用凹凸棒石的棒狀結構，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，易于實現工業化生產。
【具體實施方式】
[0013]實施例1
[0014]在65°C水浴下向含有1g凹凸棒石的懸池液中滴加含5mmol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lmol/L，滴加過程中連續攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮6mL，滴加完畢后于相同條件下繼續攪拌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離子交換的作用被作為單分子固定到凹凸棒石表面；將粉末置于管式爐中通N2保護，在800°C下碳化6h，再持續通N2冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在凹凸棒石表面形成炭質層；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，溶解掉凹凸棒石中的鋁氧結構，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合顆粒；將碳硅結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，得到碳化硅納米棒。
[0015]實施例2
[0016]在60°C水浴下向含有1g凹凸棒石的懸濁液中滴加含2mmol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離子交換的作用被作為單分子固定到凹凸棒石表面；將粉末置于管式爐中通N2保護，在500°C下碳化4h，再持續通N2冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在凹凸棒石表面形成炭質層；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，溶解掉凹凸棒石中的鋁氧結構，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合顆粒；將碳硅結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，得到碳化硅納米棒。
[0017]實施例3
[0018]在60°C水浴下向含有1g凹凸棒石的懸濁液中滴加含4mmol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，滴加過程中連續攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮6mL，滴加完畢后于相同條件下繼續攪拌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離子交換的作用被作為單分子固定到凹凸棒石表面；將粉末置于管式爐中通N2保護，在800°C下碳化6h，再持續通N2冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在凹凸棒石表面形成炭質層；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，溶解掉凹凸棒石中的鋁氧結構，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合顆粒；將碳硅結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，繼續升溫，速率為15°C /min，升溫至1400°C，恒溫300min，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，得到碳化硅納米棒。
【主權項】
1.一種碳化娃納米棒的制備方法，其特征是依次包括如下步驟: (1)在60?65°C水浴下向含有1g凹凸棒石的懸池液中滴加含2?5mmol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，滴加過程中連續攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮4?6mL，滴加完畢后于相同條件下繼續攪拌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凹凸棒石表面； (2)將粉末置于管式爐中通N2保護，在500?800°C下碳化4?6h，再持續通N2冷卻至室溫，有機物被高溫碳化，在凹凸棒石表面形成炭質層； (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，溶解掉凹凸棒石中的鋁氧結構，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合顆粒； (4)將碳硅結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，得到碳化娃納米棒O
【專利摘要】本發明公開一種碳化硅納米棒的制備方法。依次包括如下步驟：在水浴下向凹凸棒石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，將煅燒的產物浸泡于氫氟酸與鹽酸的混合酸中，清洗掉未反應二氧化硅，用去離子水洗滌烘干，得到碳化硅納米棒。該方法以凹凸棒石中的硅為原材料，充分利用凹凸棒石的棒狀結構，原料來源廉價，過程可控，易于實現工業化生產。
【IPC分類】B82Y30/00, B82Y40/00, C01B31/36
【公開號】CN105036135
【申請號】CN201510512133
【發明人】馬建鋒, 劉青, 姚超
【申請人】常州大學
【公開日】2015年11月11日
【申請日】2015年8月19日