一種具有多級定向孔的多孔硅塊體材料及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于多孔硅制備領域，具體涉及一種具有多級定向孔的多孔硅塊體材料及其制備方法。
【背景技術】
[0002]多孔硅具有獨特的光學性質，包括納米尺寸效應、室溫光致發(fā)光效應等引起了科研工作者的極大興趣和無限的期望。多孔硅打破了單晶硅難以實現(xiàn)高效率發(fā)光的瓶頸，被認為是用于敏感元件及傳感器件最理想的材料。多孔硅具有很大的比表面積，可吸附大量的外來分子，使多孔硅的光致發(fā)光效率和有效介電常數(shù)等物理化學性質發(fā)生相應的改變，特別適用于制作傳感器的探測結構部件和用作傳感器制備工藝中的犧牲層。迄今為止，人們已經(jīng)研究制作出了大量的以多孔硅為基礎傳感器件，如濕度傳感器，波導傳感器，流量傳感器，壓力傳感器，溫度傳感器，光學傳感器，氣體傳感器，氧氣，硫化氫，氨氣，一氧化碳，二氧化碳，一氧化氮，二氧化氮，二氧化硫，氣態(tài)碘，丙烷等，以及有機溶劑傳感器(包括苯，甲苯，甲醇，乙醇，異丙醇，乙睛，丙酮，氯仿等)。
[0003]然而，現(xiàn)有技術制備的多孔硅，其孔徑分布較為單一，即或以微孔為主，或以大孔為主?？讖竭^小雖是提高比表面積的有效途徑，但是卻影響材料的傳質效率；孔徑過大，雖然傳質效率得以加強，但是其比表面積顯著降低，從而不利于傳感器的探測。因此，設計一種具有分級孔，即包括微孔、介孔和大孔的多孔硅材料對提高多孔硅傳感器的效率有著重要的作用。

【發(fā)明內容】

[0004]針對現(xiàn)有技術存在的問題，本發(fā)明提供了一種具有多級定向孔的多孔硅塊體材料及其制備方法。先利用鎂熱反應合成多孔硅粉體，再采用叔丁醇基冷凍升華法制備具有分級孔多孔硅塊體材料，使制備出的多孔硅具有直孔形貌，并有大量微孔和介孔分布在其孔壁之上。
[0005]本發(fā)明的具有多級定向孔的多孔硅塊體材料，具有直孔形貌，孔徑為20~100 μπι,孔隙率分布在50 %~90%之間，在直孔內外壁上分布有大量的孔徑< 2nm的微孔和孔徑2~50nm的介孔。
[0006]實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術方案按照以下步驟進行:
(1)將硅藻土和鎂粉混合，硅藻土中S1JP鎂粉中Mg質量比為5:(2~ 8)，置于管式爐中加熱至500 ~ 800° C進行鎂熱反應，保溫0.5~3h，自然冷卻至室溫，得到具有大量孔徑小于2 nm微孔的多孔娃粉末；
(2)以步驟(I)中得到的多孔硅粉末為原料，以叔丁醇為溶劑，以檸檬酸為分散劑，聚乙烯縮丁醛為粘合劑，將混合分散均勻的漿料倒入聚乙烯或聚四氟模具中，模具底部溫度為-4 ~ -40。C，頂部溫度為室溫，從頂部到底部形成溫度梯度，經(jīng)過5分鐘~2小時漿料完全凝固，脫模后在水循環(huán)泵抽濾條件下或者真空干燥箱中升華24~72小時，之后在馬弗爐中以2~20° C/min的升溫速率加熱至700~1300° C保溫0.5-2小時，得到塊體多孔硅材料，具有直孔形貌，孔徑為20~100 μ m，孔隙率分布在50 -90%之間，在直孔內外壁上分布有大量的孔徑< 2nm的微孔和孔徑2~50nm的介孔。
[0007]其中，所述的步驟(I)中用濃度為I mol/Ι的HCl除去鎂熱反應生成的MgO和未反應完全的Mg。
[0008]所述的檸檬酸重量占多孔硅粉末的0.5~3wt%，聚乙烯醇縮丁醛重量占多孔硅粉末的 0.3~5 wt%0
[0009]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的特點和有益效果是:
(1)本發(fā)明的多孔材料具有分級孔結構，包括均勻的具有明顯的定向性的大孔，且孔隙率可控，可得到超高孔隙率，該結構既能為多孔硅塊體材料提供一個良好的力學性能又利于傳質，同時在塊體材料的大孔的內外壁上又分布有大量的微孔和介孔，從而使材料具有較高的比表面積；
(2)本發(fā)明方法分兩步完成，首先利用多孔材料中的二氧化硅和鎂粉間的鎂熱反應制備具有高比表面積、含有大量微孔和介孔的硅粉，并以叔丁醇、檸檬酸和聚乙烯醇縮丁醛為原料，通過澆注、冷凍、升華和燒結制備出定向排布的和孔壁含有大量微孔和介孔的多孔硅塊體材料，可以同時得到定向孔分布和高的比表面積的多孔硅材料。本發(fā)明選用叔丁醇作為冷凍升華的溶劑，其性能在有機體系中最接近于水并且其體積收縮要遠小于水，且工藝簡單使得整個工藝流程在室溫下進行操作，較之以往工藝要更加便捷，同時，用叔丁醇作為溶劑制得的多孔硅孔形貌顯著不同于現(xiàn)有技術中用水和莰烯兩種溶劑所得的枝晶狀孔形貌，本發(fā)明方法制備出的材料具有直孔形貌的特征，并在孔壁上分布有微孔和介孔，現(xiàn)有制備多孔硅方法中孔徑分布相對單一，不能兼顧傳質效率和高的表面積的問題。
【附圖說明】
[0010]圖1為本發(fā)明實施例采用的硅藻土原土的掃描電鏡照片；
圖2為本發(fā)明實施例1制備的多孔硅塊體材料在平行于冷凍方向的掃描電鏡照片；
圖3為本發(fā)明實施例2制備的多孔硅塊體材料的掃描電鏡圖片；
圖4為本發(fā)明實施例3制備的多孔硅塊體材料的掃描電鏡圖片。
【具體實施方式】
[0011]下面通過具體實施例對本發(fā)明進行進一步說明。
[0012]實施例1
本實施例的的具有多級定向孔的多孔硅塊體材料，具有直孔形貌，孔徑為20~60 μ m,孔隙率分布在66%之間,在直孔內外壁上分布有大量的孔徑< 2nm的微孔和孔徑2~50nm的介孔，如圖2所示。
[0013]其制備方法按照以下步驟進行:
(I)將硅藻土和鎂粉混合，硅藻土的掃描電鏡圖片如圖1所示，從圖一中可以看出其形貌為圓盤狀，并有大量的孔存在，硅藻土中S1JP鎂粉中Mg質量比為5:2，置于管式爐中加熱至800° C進行鎂熱反應，保溫3h，用濃度為I mol/Ι的HCl除去鎂熱反應生成的MgO和未反應完全的Mg，自然冷卻至室溫，得到具有大量孔徑小于2 nm微孔的多孔硅粉末，粉末的比表面積> 500m2/g ；
(2)將步驟(I)中得到的多孔硅粉末加入在叔丁醇溶劑中