一種碳化硅納米片的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米材料制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種碳化娃納米片的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅(SiC)俗稱金剛砂，寶石名稱鉆髓，為硅與碳相鍵結(jié)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(jié)可得到堅(jiān)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(fā)光二極管、早期的無(wú)線電探測(cè)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(dǎo)體。
[0003]目前，制備SiC納米材料的主要方法有模板生長(zhǎng)法、碳熱還原法、化學(xué)氣相沉積法和有機(jī)前驅(qū)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(gè)問(wèn)題:(I)工藝過(guò)程中溫度高(模板法、激光燒蝕法、電弧放電法、熱蒸發(fā)法、碳熱還原法)或壓力大(溶劑熱法)，涉及過(guò)程復(fù)雜；(2)產(chǎn)物中常含有金屬雜質(zhì)(如金屬氣-液-固(VLS)催化生長(zhǎng)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(chǎn)量低(模板法、溶劑熱法)。這些問(wèn)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(shí)現(xiàn)二維SiC納米材料的規(guī)模化生產(chǎn)。因此，發(fā)展新型低成本高純二維SiC納米材料的制備技術(shù)對(duì)于推動(dòng)二維SiC納米材料的研究、規(guī)?；a(chǎn)以及在相關(guān)高科技領(lǐng)域中的應(yīng)用具有十分重要的意義。
[0005]膨潤(rùn)土是以蒙脫石(Montmorillonite)為主要礦物的粘土巖。蒙脫石是一種含水的層狀鋁硅酸鹽礦物，由兩個(gè)硅氧四面體中間夾一個(gè)鋁(鎂)氧(氫氧)八面體組成，屬于2:1型的三層粘土礦物。晶層間距離為0.96?2.14nm，這些納米片層團(tuán)聚在一起，形成幾百納米到幾微米的粘土顆粒。膨潤(rùn)土有很強(qiáng)的陽(yáng)離子交換能力，在一定的物理-化學(xué)條件下，Ca' Mg' Na\ K\ Fe' Cu2+等可相互交換。陽(yáng)離子交換性是膨潤(rùn)土的重要工藝特性，利用這一特性，可以對(duì)膨潤(rùn)土進(jìn)行改性并利用，如制備膨潤(rùn)土負(fù)載催化劑。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本發(fā)明提供一種原料廉價(jià)、環(huán)境污染小的碳化硅納米片的制備方法，包括以下步驟:
[0007](I)在60?65°C水浴下向含有1g膨潤(rùn)土的懸池液中滴加含5?1mmol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(guò)程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮I?3mL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)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(guò)程中陽(yáng)離子表面活性劑通過(guò)離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤(rùn)土層間；
[0008](2)將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)，在500?800 °C下碳化4?6h，再持續(xù)通化冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在膨潤(rùn)土層間形成炭質(zhì)片層；
[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5?10h，溶解掉膨潤(rùn)土中的鋁氧結(jié)構(gòu)，固液分離，用去離子水清洗，60?70°C恒溫干燥5?6h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)的碳硅結(jié)合顆粒；
[0010](4)將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為10?15°C /min升溫至600°C，恒溫60?120min，繼續(xù)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(chǎn)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(shí)間為4?24h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至pH = 7后，80?105°C烘干，得到碳化硅納米片。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:
[0012]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下述特征和優(yōu)點(diǎn):(I)以層間有機(jī)物為碳源，發(fā)揮了膨潤(rùn)土的特殊結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的內(nèi)比表面積大、層間厚度薄的特點(diǎn)，首先在膨潤(rùn)土層間制備得到碳層，有利于反應(yīng)物硅源與碳源充分接觸，反應(yīng)完全。(2)以膨潤(rùn)土片層的硅為原材料，充分利用膨潤(rùn)土的層狀結(jié)構(gòu)，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(lái)源廉價(jià)，過(guò)程可控，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0013]實(shí)施例1
[0014]在65°C水浴下向含有1g膨潤(rùn)土的懸濁液中滴加含1mmol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lmol/L，滴加過(guò)程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮lmL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)攪拌2h，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(guò)程中陽(yáng)離子表面活性劑通過(guò)離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤(rùn)土層間；將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)，在800°C下碳化6h，再持續(xù)通隊(duì)冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在膨潤(rùn)土層間形成炭質(zhì)片層；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10h，溶解掉膨潤(rùn)土中的鋁氧化物，固液分離，用去離子水清洗，70°C恒溫干燥6h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)的碳硅結(jié)合顆粒；將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為15°C /min升溫至600°C，恒溫120min，繼續(xù)升溫，速率為10°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(chǎn)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(shí)間為24h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至PH = 7后，105°C烘干，得到碳化硅納米片。
[0015]實(shí)施例2
[0016]在60°C水浴下向含有1g膨潤(rùn)土的懸濁液中滴加含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4mol/L，滴加過(guò)程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮3mL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)攪拌3h，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(guò)程中陽(yáng)離子表面活性劑通過(guò)離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤(rùn)土層間；將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)，在500°C下碳化4h，再持續(xù)通隊(duì)冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在膨潤(rùn)土層間形成炭質(zhì)片層；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5h，溶解掉膨潤(rùn)土中的鋁氧化物，固液分離，用去離子水清洗，60°C恒溫干燥5h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)的碳硅結(jié)合顆粒；將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為10°C /min升溫至600°C，恒溫60min，繼續(xù)升溫，速率為15°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(chǎn)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(shí)間為4h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至pH = 7后，80°C烘干，得到碳化硅納米片。
[0017]實(shí)施例3
[0018]在60°C水浴下向含有1g膨潤(rùn)土的懸濁液中滴加含Smmol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(guò)程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮3mL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)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80目的粉末，在該過(guò)程中陽(yáng)離子表面活性劑通過(guò)離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤(rùn)土層間；將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)，在800°C下碳化5h，再持續(xù)通隊(duì)冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在膨潤(rùn)土層間形成炭質(zhì)片層；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10h，溶解掉膨潤(rùn)土中的鋁氧化物，固液分離，用去離子水清洗，70°C恒溫干燥6h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)的碳硅結(jié)合顆粒；將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為15°C /min升溫至600°C，恒溫120min，繼續(xù)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lOOmin，冷卻至室溫，將煅燒后的產(chǎn)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(shí)間為24h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至PH = 7后，105°C烘干，得到碳化硅納米片。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳化娃納米片的制備方法，其特征是依次包括如下步驟: (1)在60?65°C水浴下向含有1g膨潤(rùn)土的懸池液中滴加含5?1mmol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(guò)程中連續(xù)攪拌，滴加完畢后再滴加丙酮I?3mL，滴加完畢后于相同條件下繼續(xù)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(guò)程中陽(yáng)離子表面活性劑通過(guò)離子交換的作用被作為單分子固定到膨潤(rùn)土層間； (2)將粉末置于管式爐中通N2保護(hù)，在500?800°C下碳化4?6h，再持續(xù)通N2冷卻至室溫，有機(jī)物被高溫碳化，在膨潤(rùn)土層間形成炭質(zhì)片層； (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5?10h，溶解掉膨潤(rùn)土中的鋁氧結(jié)構(gòu)，固液分離，用去離子水清洗，60?70°C恒溫干燥5?6h，得到碳層和氧化硅層相間結(jié)構(gòu)的碳硅結(jié)合顆粒； (4)將碳硅結(jié)合顆粒置于管式爐中，在氬氣保護(hù)下，以升溫速率為10?15°C/min升溫至600。。，恒溫60?120min，繼續(xù)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(chǎn)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(shí)間為4?24h，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌至pH = 7后，80?105°C烘干，得到碳化硅納米片。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)一種碳化硅納米片的制備方法，包括以下步驟：在水浴下向膨潤(rùn)土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(xù)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(hù)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(hù)下，程序升溫煅燒后冷卻至室溫，將煅燒的產(chǎn)物浸泡于氫氟酸與鹽酸的混合酸中，清洗掉未反應(yīng)二氧化硅，用去離子水洗滌烘干，得到碳化硅納米片。該方法以膨潤(rùn)土中的硅為原材料，充分利用膨潤(rùn)土的片層結(jié)構(gòu)，原料來(lái)源廉價(jià)，過(guò)程可控，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。
【IPC分類】C01B31/36, B82Y30/00, B82Y40/00
【公開(kāi)號(hào)】CN105129802
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510510568
【發(fā)明人】馬建鋒, 劉青, 姚超
【申請(qǐng)人】常州大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年8月19日