一种二维硅的制备方法及应用

1.本发明属于材料技术领域，具体涉及一种二维硅的制备方法。


背景技术：

2.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
3.硅材料具有高理论比容量，是最具潜力的锂离子电池负极材料之一，但是硅负极在脱嵌锂过程中会产生高达300％的体积变化，这会造成颗粒破碎、活性物质从电极上脱落，这些都会使电池的容量快速衰减。目前大量研究表明对硅材料进行二维化可以改善硅负极的循环稳定性，二维结构可以有效缓解硅材料在充放电过程中的体积变化，从而提高硅材料的结构稳定性；而且二维结构具有巨大的比表面积，可以提供更多的锂离子传输通道。此外，二维硅材料在半导体以及催化领域具有广泛应用前景。
4.因此，通过简易的方法二维硅具有重要的意义。
5.发明人之前的研究(专利202010174978.5)公开了一种二维硅的制备方法及其应用。所述方法包括如下步骤：以asi2型合金为前驱体，采用化学脱合金或者真空脱合金的方法对所述前驱体进行处理，即可得到二维硅。其中，所述化学脱合金的方法为采用酸对前驱体进行刻蚀处理。所述真空脱合金的方法的条件为：保温温度为800℃-1500℃，时间为0.1-20h，真空度等于或小于10pa。但发明人后续研究发现：二维硅在高温时的生长容易出现堆叠，无法制备出具有晶体结构和超薄的层状结构二维硅，进而影响了其应用性能。


技术实现要素：

6.为了解决上述问题，本发明提供一种二维硅的制备方法。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
8.本发明的第一个方面，提供了一种二维硅的制备方法，包括：
9.将硅钙合金粉末在氮气氛围中进行热处理，得到反应产物；
10.将所述反应产物在稀盐酸溶液中浸泡，反应完全后，抽滤、收集固体物质，干燥，即得。
11.本发明的第二个方面，提供了上述的方法制备的二维硅。
12.本发明的第三个方面，提供了上述的二维硅在制备二次电池中的应用。
13.本发明的有益效果
14.(1)本发明采用的前驱体均为商业化样品，制备方法简单可控，在锂离子电池负极的应用极具潜力。
15.(2)本发明的二维硅是利用硅钙合金中的钙和氮气的热反应，氮气作为脱出钙元素的反应物，而产生的氮化钙可以使用稀盐酸脱除，此外氮化钙还可作为中间层避免二维硅在高温时的生长堆叠。通过本方法制备的二维硅具有晶体结构和超薄的层状结构。
16.(3)本发明的二维硅在用作锂离子电池时可以有效缓解负极材料的体积变化，并加快锂离子的扩散。
17.(4)本发明制备方法简单、实用性强，易于推广。
附图说明
18.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示例性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
19.图1：是实施例1中硅钙合金与氮气反应物的sem图。
20.图2：是实施例1中二维硅的sem图。
具体实施方式
21.应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
22.一种二维硅的制备方法，包括：
23.(1)将硅钙合金粉末在氮气氛围中热处理；
24.(2)将上述反应产物在稀盐酸溶液中浸泡、抽滤、真空干燥得到二维硅。
25.所述的硅钙合金与氮气的反应为:casi2 n2→
ca3n2 si；
26.在一些实施例中，所述的热处理条件是，温度700-900℃，时间5-20h；
27.在一些实施例中，所述稀盐酸溶液的浓度为5-15wt％；
28.在一些实施例中，所述氮气的流速为0.5～1.0l/min。
29.在一些实施例中，所述反应产物与稀盐酸的质量体积比为1:80～120(g:ml)。
30.在一些实施例中，所述真空干燥的具体条件是，温度80～100℃，时间8～12h，真空度0.2～0.5pa。
31.研究发现：氮气还可以与lisi2在低于硅熔点的温度下发生反应(若温度高于硅熔点，会破坏二维硅结构)，生成具有晶体结构和超薄的层状结构的二维硅。因此，在一些实施例中，采用lisi2替代casi2作为原料。
32.下面结合具体的实施例，对本发明做进一步的详细说明，应该指出，所述具体实施例是对本发明的解释而不是限定。
33.实施例1
34.一种二维硅的制备方法如下：
35.(1)将硅钙合金粉末在氮气氛围中800℃热处理5h；
36.其中，氮气流速为0.5l/min。
37.(2)将1g上述反应产物在100ml浓度为10wt％稀盐酸溶液中浸泡、抽滤、然后，于80℃、真空度0.2pa的条件下，真空干燥10h，得到二维硅。
38.实施例2
39.一种二维硅的制备方法如下：
40.(1)将硅钙合金粉末在氮气氛围中700℃热处理20h；
41.其中，氮气流速为0.5l/min。
42.(2)将1g上述反应产物在100ml浓度为15wt％稀盐酸溶液中浸泡、抽滤、然后，于80℃、真空度0.2pa的条件下，真空干燥10h，得到二维硅。
43.实施例3
44.一种二维硅的制备方法如下：
45.(1)将硅钙合金粉末在氮气氛围中900℃热处理10h；
46.其中，氮气流速为0.5l/min。
47.(2)将1g上述反应产物在100ml浓度为10wt％稀盐酸溶液中浸泡、抽滤、然后，于80℃、真空度0.2pa的条件下，真空干燥10h，得到二维硅。
48.实施例4
49.一种二维硅的制备方法如下：
50.(1)将硅钙合金粉末在氮气氛围中800℃热处理10h；
51.其中，氮气流速为0.5l/min。
52.(2)将1g上述反应产物在100ml浓度为5wt％稀盐酸溶液中浸泡、抽滤、然后，于80℃、真空度0.2pa的条件下，真空干燥10h，得到二维硅。
53.实施例5
54.一种二维硅的制备方法如下：
55.(1)将硅钙合金粉末在氮气氛围中700℃热处理15h；
56.其中，氮气流速为0.5l/min。
57.(2)将1g上述反应产物在100ml浓度为15wt％稀盐酸溶液中浸泡、抽滤、然后，于80℃、真空度0.2pa的条件下，真空干燥10h，得到二维硅。
58.实施例6
59.一种二维硅的制备方法如下：
60.(1)将硅钙合金粉末在氮气氛围中800℃热处理5h；
61.其中，氮气流速为1.0l/min。
62.(2)将1g上述反应产物在120ml浓度为10wt％稀盐酸溶液中浸泡、抽滤、然后，于100℃、真空度0.5pa的条件下，真空干燥8h，得到二维硅。
63.实施例7
64.一种二维硅的制备方法如下：
65.(1)将硅钙合金粉末在氮气氛围中800℃热处理5h；
66.其中，氮气流速为0.8l/min。
67.(2)将1g上述反应产物在80ml浓度为10wt％稀盐酸溶液中浸泡、抽滤、然后，于90℃、真空度0.35pa的条件下，真空干燥9h，得到二维硅。
68.实施例8
69.一种二维硅的制备方法如下：
70.(1)将lisi2在氮气氛围中800℃热处理5h；
71.其中，氮气流速为0.5l/min。
72.(2)将1g上述反应产物在100ml浓度为10wt％稀盐酸溶液中浸泡、抽滤、然后，于80℃、真空度0.2pa的条件下，真空干燥10h，得到二维硅。
73.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技
术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。