一種用稻殼制備高純納米三維多孔結(jié)構(gòu)硅的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工材料制備與資源綜合利用領(lǐng)域，具體涉及一種用稻殼制備高純納米三維多孔結(jié)構(gòu)硅的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鋰離子電池具有電壓高、比能量高、無記憶效應(yīng)及無環(huán)境污染等特點，已經(jīng)成為21世紀綠色電池的主要選擇之一。商業(yè)化使用的鋰離子電池負極材料主要是碳系負極材料，但是碳的理論容量只有372mA.h/g，無法滿足下一代新型鋰離子電池對負極材料高容量的要求。因此，開發(fā)新型非碳負極材料對鋰離子電池的發(fā)展具有重要的意義。
[0003]多孔硅以其多孔結(jié)構(gòu)及比表面積較大等特點，被認為是替代碳作為高容量鋰離子電池負極的首選材料。目前，這種多孔硅的制備主要是以化學(xué)試劑為原料，工藝復(fù)雜，成本高，對環(huán)境污染嚴重。
[0004]水稻作為一種全球廣泛種植的農(nóng)作物，年產(chǎn)量可達到4.22億噸。稻殼是水稻加工的廢棄物，約占水稻總產(chǎn)量的五分之一。將稻殼直接遺棄，既會造成對環(huán)境的破壞，也是資源浪費，目前一些企業(yè)僅實現(xiàn)了稻殼的低附加值利用，如制作育苗培土、飼料等。稻殼有一層獨特的二氧化硅層，約占稻殼比重的15-20%。為了保護內(nèi)部的米粒，防止瓢蟲和細菌的侵入，同時能夠使空氣和水通過，這層二氧化硅具有納米多孔性。因此，稻殼中的硅被合適的工藝還原，就會具有納米三維多孔結(jié)構(gòu)。
[0005]韓國的Choi Jang Wook等人首次提出，以稻殼為基礎(chǔ)原料，利用高溫處理、鎂還原二氧化硅、氫氟酸洗滌等一系列工藝，可以得到具有納米三維多孔結(jié)構(gòu)的硅，并通過實驗驗證明，這種硅用作鋰離子電池負極材料時，具有容量高、循環(huán)性能和電化學(xué)穩(wěn)定性優(yōu)良等特點。因此，這種性能優(yōu)良、價格低廉的硅，可以很好的滿足鋰離子電池對于新型非碳負極材料的需求。
[0006]但是,Choi Jang Wook等人利用稻殼制備納米三維多孔結(jié)構(gòu)娃的工藝并未考慮能源、水等的循環(huán)利用，對環(huán)境的污染，以及氫氟酸洗滌對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的破壞而造成產(chǎn)品性能的下降。本發(fā)明填補國內(nèi)用稻殼制備高純納米三維多孔結(jié)構(gòu)硅的空白，同時，改進國外的制備工藝，提高產(chǎn)品性能，并降低成本和對環(huán)境的破壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明以解決上述問題為目的，主要解決現(xiàn)有技術(shù)存在的工藝復(fù)雜，成本高及對環(huán)境污染嚴重的技術(shù)問題。
[0008]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:一種用稻殼制備高純納米三維多孔結(jié)構(gòu)硅的方法，該方法是通過下述工藝步驟實現(xiàn)的:
[0009]1、稻殼預(yù)處理
[0010]a)用濃度為1-10%的鹽酸對稻殼進行煮沸洗滌。其中，鹽酸溶液與稻殼的重量份額比例為5-40:1 ;煮沸時間0.5-2.5h。
[0011]b)對酸洗后的稻殼水洗、干燥。
[0012]c)將干燥好的稻殼送入燃燒爐，保持燃燒溫度650_900°C，燃燒時間20-120分鐘，得到稻殼灰。
[0013]2、從稻殼灰中提取高純納米二氧化硅
[0014]d)將稻殼灰與10_25被％的碳酸鈉水溶液按固液重量份額比例1:5-10放入反應(yīng)釜中，加熱至100-150°C，水解0.5-3h，濾掉碳渣，濾液為制備二氧化硅的原料。
[0015]e)將濾液溫度降至80_60°C后，通入步驟c)中凈化后的尾氣，反應(yīng)時間l_4h，析出沉淀，過濾。
[0016]f)濾液返回至步驟d)循環(huán)利用，濾餅經(jīng)水洗、干燥得到納米二氧化硅。水洗后的廢水返回至步驟b)循環(huán)利用；干燥熱源為步驟c)中燃燒尾氣的熱量。
[0017]3、熱還原二氧化硅
[0018]g)在氬氣氣氛下，將鎂粉與納米二氧化硅以重量份額比0.8-1.2:1的比例均勻混合置于加熱爐中，反應(yīng)溫度750-850°C，反應(yīng)時間2-4h。
[0019]h)將步驟g)中產(chǎn)物經(jīng)濃度為2-10%的鹽酸溶液洗滌至pH=7、過濾，得到濾液和濾餅。濾液可用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域，或經(jīng)結(jié)晶處理得到氯化鎂晶體，用于制備金屬鎂。
[0020]i)將步驟h)中濾餅水洗、干燥制得高純納米三維多孔結(jié)構(gòu)硅，干燥熱源為步驟c)中燃燒尾氣的熱量。
[0021]本發(fā)明的有益效果及特點在于:
[0022]1、稻殼燃燒產(chǎn)生的熱量經(jīng)回收可以為后續(xù)的熱反應(yīng)提供熱源，降低能源消耗，減少生產(chǎn)成本；
[0023]2、用于溶解稻殼灰中二氧化硅的碳酸鈉僅為催化劑，無消耗，可循環(huán)利用；
[0024]3、稻殼燃燒尾氣經(jīng)凈化處理，可用作二氧化硅的沉淀劑，減少溫室氣體的排放；
[0025]4、副產(chǎn)物氯化鎂純度高，可通過電解制備金屬鎂，也可用于醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域；
[0026]5、二氧化硅被還原徹底，無需經(jīng)氫氟酸洗滌，減少環(huán)境污染，同時，防止產(chǎn)品結(jié)構(gòu)被破壞；
[0027]6、產(chǎn)品成本低廉，純度高。
【具體實施方式】
[0028]實施例一
[0029]1、稻殼預(yù)處理
[0030]a)用濃度為1%的鹽酸對稻殼進行煮沸洗滌。其中，鹽酸溶液與稻殼的重量份額比例為20:1 ;煮沸時間0.5h。
[0031]b)對酸洗后的稻殼水洗、干燥。
[0032]c)將干燥好的稻殼送入燃燒爐，保持燃燒溫度750°C，燃燒時間90分鐘，得到稻殼灰。
[0033]2、從稻殼灰中提取高純納米二氧化硅
[0034]d)將稻殼灰與20wt%的碳酸鈉水溶液按固液重量份額比例1:8放入反應(yīng)釜中，力口熱至120°C，水解2h，濾掉碳渣，濾液為制備二氧化硅的原料。
[0035]e)將濾液溫度降至70°C后，通入步驟c)中凈化后的尾氣，反應(yīng)時間3h，析出沉淀，過濾。
[0036]f)濾液返回至步驟d)循環(huán)利用，濾餅經(jīng)水洗、干燥得到納米二氧化硅。水洗后的廢水返回至步驟b)循環(huán)利用；干燥熱源為步驟c)中燃燒尾氣的熱量。
[0037]3、熱還原二氧化硅
[0038]g)在氬氣氣氛下，將鎂粉與納米二氧化硅以重量份額比1:1的比例均勻混合置于加熱爐中，反應(yīng)溫度800°C，反應(yīng)時間3h。
[0039]h)將步驟g)中產(chǎn)物經(jīng)濃度為5%的鹽酸溶液洗滌至pH=7、過濾，得到濾液和濾餅。
[0040]i)將步驟h)中濾餅水洗、干燥制得高純納米三維多孔結(jié)構(gòu)硅產(chǎn)品。產(chǎn)品平均孔徑32nm,純度 99.5%。
[0041]實施例二
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