[发明专利]一种多孔硅材料、制备方法及其用途

说明书

技术领域

本发明涉及多孔硅材料制备领域，具体地，本发明涉及通过硅于有机溶剂中在一定温度和压力及矿化剂作用下与过渡金属盐前驱体原位催化反应制备多孔硅材料的方法，以及由该方法得到的多孔硅材料及其用途。

背景技术

多孔硅是一种孔径由纳米到毫米级的新型多功能多孔材料，具有独特的介电特性、光学特性、微电子相容性及大的比表面积和孔可控性，使其在敏感元件及传感器、照明材料、光电器件、生物分析、免疫检测、绝缘材料、集成电路、太阳能电池和锂离子电池等领域具有广泛的应用。多孔硅是一种新型的半导体光电材料，在室温下具有优异的电致发光、光致发光等特性，与现有硅技术兼容，极有可能实现硅基光电器件等多个领域的应用。

目前多孔硅的制备方法主要有湿法化学腐蚀法和电化学腐蚀法。专利CN1212989公开了一种将硅粉在水热条件下通过氟离子腐蚀的方法制备多孔硅。专利US7514369提出了一种利用染色腐蚀法制备多孔硅粉末和纳米硅的方法。专利CN1974880提出了一种采用氢氟酸-乙醇为腐蚀溶液的电化学方法制备多孔硅。专利CN1396315和CN1396316分别公开了一种多孔硅的阴极还原和阳极氧化的表面处理技术制备多孔硅。专利US2008/0166538和CN101249962公开了通过氢氟酸和二甲基甲酰胺刻蚀的方法制备有序排列多孔硅的方法。专利CN102211770B公开了硅与卤代烃催化反应制备多孔硅材料的方法。文献报道可以通过AgNO₃和HF刻蚀制备多孔硅颗粒（Hierarchical micro/nano porous silicon Li-ion battery anodes.Zhao,Y.,et al.Chemical Communications,2012,48(42):5079-5081）或通过镁粉与SiO₂反应制备多孔硅颗粒（Three-Dimensional Porous Silicon Particles for Use in High-Performance Lithium Secondary Batteries.Kim,H.,et al.Angewandte Chemie-International Edition,2008,47(52):10151-10154）。

以上报道的这些制备方法普遍存在原料成本高、制备工艺复杂、设备要求高、过程条件苛刻、污染严重(大量使用HF或副产物)、使用贵金属催化剂(如金、银等)、批量生产困难等问题，或是性能不能满足商业需求，无法工业化生产。因此，急需一种过程简单清洁制备的方法大量合成多孔硅材料。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的发明人经过仔细研究，采用过渡金属盐前驱体在一定温度和压力及矿化剂作用下于有机溶剂中与原料硅发生原位催化反应，并控制硅不完全反应，通过酸洗等后处理除杂技术制备多孔硅材料。

为达此目的，本发明采用了以下技术方案：

一种多孔硅材料的制备方法，所述方法包括如下步骤：过渡金属盐前驱体在矿化剂作用下于有机溶剂中与原料硅发生原位催化反应，原位催化成孔，得到多孔硅材料。

本发明通过调节过渡金属盐前驱体、矿化剂及有机溶剂种类；控制催化反应温度、反应时间及其反应的质量比例来调控得到的多孔硅材料的孔径大小、孔隙率及硅收率，硅片收率为60-95%，块状硅粉30-95%，收率可以通过反应时间，反应温度，催化剂量（可通过调节过渡金属盐前驱体的量来达到调节催化剂的量）进行调节，加大催化剂量，延长反应时间和升高反应温度可以把大部分硅反应掉，剩余少量硅粉，从而制备想要的多孔硅材料，同时避免了有毒溶剂或贵金属催化剂的使用，解决了多孔硅材料生产成本高、工艺复杂、污染严重和工业化生产困难等问题。

本发明所述有机溶剂的作用主要有如下两个方面：一方面作为反应介质，另一方面，与硅反应形成含硅的有机物。

所述过渡金属盐前驱体选自过渡金属醋酸盐前驱体、过渡金属硝酸盐前驱体、过渡金属硫酸盐前驱体或过渡金属氯化盐前驱体中的任意一种或者至少两种的混合物。