一种用稻壳制备高纯纳米三维多孔结构硅的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化工材料制备与资源综合利用领域，具体涉及一种用稻壳制备高纯纳米三维多孔结构硅的方法。
【背景技术】
[0002]锂离子电池具有电压高、比能量高、无记忆效应及无环境污染等特点，已经成为21世纪绿色电池的主要选择之一。商业化使用的锂离子电池负极材料主要是碳系负极材料，但是碳的理论容量只有372mA.h/g，无法满足下一代新型锂离子电池对负极材料高容量的要求。因此，开发新型非碳负极材料对锂离子电池的发展具有重要的意义。
[0003]多孔硅以其多孔结构及比表面积较大等特点，被认为是替代碳作为高容量锂离子电池负极的首选材料。目前，这种多孔硅的制备主要是以化学试剂为原料，工艺复杂，成本高，对环境污染严重。
[0004]水稻作为一种全球广泛种植的农作物，年产量可达到4.22亿吨。稻壳是水稻加工的废弃物，约占水稻总产量的五分之一。将稻壳直接遗弃，既会造成对环境的破坏，也是资源浪费，目前一些企业仅实现了稻壳的低附加值利用，如制作育苗培土、饲料等。稻壳有一层独特的二氧化硅层，约占稻壳比重的15-20%。为了保护内部的米粒，防止瓢虫和细菌的侵入，同时能够使空气和水通过，这层二氧化硅具有纳米多孔性。因此，稻壳中的硅被合适的工艺还原，就会具有纳米三维多孔结构。
[0005]韩国的Choi Jang Wook等人首次提出，以稻壳为基础原料，利用高温处理、镁还原二氧化硅、氢氟酸洗涤等一系列工艺，可以得到具有纳米三维多孔结构的硅，并通过实验验证明，这种硅用作锂离子电池负极材料时，具有容量高、循环性能和电化学稳定性优良等特点。因此，这种性能优良、价格低廉的硅，可以很好的满足锂离子电池对于新型非碳负极材料的需求。
[0006]但是,Choi Jang Wook等人利用稻壳制备纳米三维多孔结构娃的工艺并未考虑能源、水等的循环利用，对环境的污染，以及氢氟酸洗涤对产品结构的破坏而造成产品性能的下降。本发明填补国内用稻壳制备高纯纳米三维多孔结构硅的空白，同时，改进国外的制备工艺，提高产品性能，并降低成本和对环境的破坏。
【发明内容】
[0007]本发明以解决上述问题为目的，主要解决现有技术存在的工艺复杂，成本高及对环境污染严重的技术问题。
[0008]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:一种用稻壳制备高纯纳米三维多孔结构硅的方法，该方法是通过下述工艺步骤实现的:
[0009]1、稻壳预处理
[0010]a)用浓度为1-10%的盐酸对稻壳进行煮沸洗涤。其中，盐酸溶液与稻壳的重量份额比例为5-40:1 ;煮沸时间0.5-2.5h。
[0011]b)对酸洗后的稻壳水洗、干燥。
[0012]c)将干燥好的稻壳送入燃烧炉，保持燃烧温度650_900°C，燃烧时间20-120分钟，得到稻壳灰。
[0013]2、从稻壳灰中提取高纯纳米二氧化硅
[0014]d)将稻壳灰与10_25被％的碳酸钠水溶液按固液重量份额比例1:5-10放入反应釜中，加热至100-150°C，水解0.5-3h，滤掉碳渣，滤液为制备二氧化硅的原料。
[0015]e)将滤液温度降至80_60°C后，通入步骤c)中净化后的尾气，反应时间l_4h，析出沉淀，过滤。
[0016]f)滤液返回至步骤d)循环利用，滤饼经水洗、干燥得到纳米二氧化硅。水洗后的废水返回至步骤b)循环利用；干燥热源为步骤c)中燃烧尾气的热量。
[0017]3、热还原二氧化硅
[0018]g)在氩气气氛下，将镁粉与纳米二氧化硅以重量份额比0.8-1.2:1的比例均匀混合置于加热炉中，反应温度750-850°C，反应时间2-4h。
[0019]h)将步骤g)中产物经浓度为2-10%的盐酸溶液洗涤至pH=7、过滤，得到滤液和滤饼。滤液可用于医药、农业等领域，或经结晶处理得到氯化镁晶体，用于制备金属镁。
[0020]i)将步骤h)中滤饼水洗、干燥制得高纯纳米三维多孔结构硅，干燥热源为步骤c)中燃烧尾气的热量。
[0021]本发明的有益效果及特点在于:
[0022]1、稻壳燃烧产生的热量经回收可以为后续的热反应提供热源，降低能源消耗，减少生产成本；
[0023]2、用于溶解稻壳灰中二氧化硅的碳酸钠仅为催化剂，无消耗，可循环利用；
[0024]3、稻壳燃烧尾气经净化处理，可用作二氧化硅的沉淀剂，减少温室气体的排放；
[0025]4、副产物氯化镁纯度高，可通过电解制备金属镁，也可用于医药、农业等领域；
[0026]5、二氧化硅被还原彻底，无需经氢氟酸洗涤，减少环境污染，同时，防止产品结构被破坏；
[0027]6、产品成本低廉，纯度高。
【具体实施方式】
[0028]实施例一
[0029]1、稻壳预处理
[0030]a)用浓度为1%的盐酸对稻壳进行煮沸洗涤。其中，盐酸溶液与稻壳的重量份额比例为20:1 ;煮沸时间0.5h。
[0031]b)对酸洗后的稻壳水洗、干燥。
[0032]c)将干燥好的稻壳送入燃烧炉，保持燃烧温度750°C，燃烧时间90分钟，得到稻壳灰。
[0033]2、从稻壳灰中提取高纯纳米二氧化硅
[0034]d)将稻壳灰与20wt%的碳酸钠水溶液按固液重量份额比例1:8放入反应釜中，力口热至120°C，水解2h，滤掉碳渣，滤液为制备二氧化硅的原料。
[0035]e)将滤液温度降至70°C后，通入步骤c)中净化后的尾气，反应时间3h，析出沉淀，过滤。
[0036]f)滤液返回至步骤d)循环利用，滤饼经水洗、干燥得到纳米二氧化硅。水洗后的废水返回至步骤b)循环利用；干燥热源为步骤c)中燃烧尾气的热量。
[0037]3、热还原二氧化硅
[0038]g)在氩气气氛下，将镁粉与纳米二氧化硅以重量份额比1:1的比例均匀混合置于加热炉中，反应温度800°C，反应时间3h。
[0039]h)将步骤g)中产物经浓度为5%的盐酸溶液洗涤至pH=7、过滤，得到滤液和滤饼。
[0040]i)将步骤h)中滤饼水洗、干燥制得高纯纳米三维多孔结构硅产品。产品平均孔径32nm,纯度 99.5%。
[0041]实施例二
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