[发明专利]高比表面积纳米氧化硅材料的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于无机纳米多孔材料制备技术领域，涉及一种高比表面积纳米氧化硅材料的制备方法。

背景技术

纳米氧化硅是一种具有独特纳米多孔结构的材料，其内部分布着相互交织的三维网络。这种特殊的结构使其具有高孔隙率（能保持在85-95% ，最高达99.8 %）、小孔洞尺寸（1～100 nm）、高比表面积（1200 m²/g）、低密度（0.03-0.2 g/cm³)、小折射率（1.01-1.1）、低声速（100 m/s)、超低热导率0.015W/（m·K）等性能。众多优异的性能使其在药物输送体系、太阳能收集器、催化、吸附、及美国宇航局用来捕获太空高速粒子的切尔科夫辐射探测器等众多领域得到应用。

纳米氧化硅材料的制备通常使用超临界进行干燥，成型效果较好，能保持纳米多孔网络结构。但是，超临界干燥需要的仪器复杂、价格昂贵，制备过程中涉及高温高压危险性比较高，且对各个条件和参数的要求比较苛刻。因此，采用常压干燥制备纳米多孔氧化硅材料是实现规模化生产和应用的必然要求。而在制备SiO₂湿凝胶的过程中，已报导的硅源材料有正硅酸酯类（正硅酸甲酯，正硅酸四乙酯）、多聚硅烷、硅溶胶、水玻璃，以及更为廉价的稻壳或粉煤灰为硅源。采用硅酸酯（TEOS、TMOS等）及多聚硅烷为原料可以成功制备纳米氧化硅材料，但存在价格昂贵、成本高、毒性强等问题。稻壳或粉煤灰为硅源，虽然价格低廉，但是制备工艺复杂，性能较低。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明，提供一种高比表面积纳米氧化硅材料的制备方法。

一种高比表面积纳米氧化硅材料的制备方法，其特征在于，包含以下步骤：

（1）两步溶胶-凝胶法配制硅溶胶：

第一步将硅酸甲酯、甲醇、水和适量盐酸混合，混合液在85℃下洄流20小时以实现充分混合并提高水解速率，然后95℃时蒸馏4小时去除反应生成的甲醇，获得部分水解、部分缩聚的硅溶胶（CS）；其中硅酸甲酯、甲醇、去离子水、盐酸的摩尔比为0.6-1:0:1-20:0.1-1.5:1-5×10^-5；

第二步反应将第一步制得的硅溶胶与乙腈、水和氨水混合，经充分水解后获得二氧化硅溶胶，然后将溶胶倒入模具中， 20分钟后经缩聚反应形成均匀透明的二氧化硅凝胶；

（2）老化处理：

将湿凝胶用少量的甲醇覆盖，老化1-3天；

（3）湿凝胶的溶剂替换：

用有机溶剂对步骤（2）老化完毕的湿凝胶进行溶剂替换，置换湿凝胶孔洞内残留的甲醇和未反应的水；置换时间8-48小时，置换次数为1-4次；

（4）湿凝胶的表面修饰/溶剂替换：

将溶剂替换完毕的湿凝胶浸泡于硅氧烷溶剂和盐酸的混合液中，进行湿凝胶的孔洞表面基团改性，在改性时硅氧烷溶剂与湿凝胶孔洞内的醇类有机溶剂同时进行着溶剂替换；

（5）常压干燥

将步骤（4）制得的湿凝胶进行不同温度下的常压干燥，自然冷却至室温后便可获得高比表面积纳米氧化硅材料。

步骤（1）中第二步所述的模具为玻璃器皿或者塑料器具。

步骤（2）中所述的湿凝胶与覆盖其表面的甲醇体积比为3-8:1。

步骤（3）中所述的有机溶剂为乙醇，或异丙醇，或正丁醇。

步骤（4）中所述的混合液中硅氧烷溶剂和盐酸的体积比为6-10:1。

步骤（4）中，所述的硅氧烷溶剂为六甲基二硅氧烷、六甲基二硅氮烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷中的一种。

步骤（4）中所述的作为表面基团改性剂的硅氧烷溶剂和盐酸的混合液与湿凝胶的体积比为1:1-5；

步骤（4）中所述的表面修饰时间为12-36小时。

步骤（5）中所述的常压干燥的过程为在60℃、80℃和120℃下各干燥两小时，干燥气氛为空气。