本發(fā)明涉及一種單質(zhì)硅粉末的制備方法，具體是一種以天然硅鋁酸鹽礦物為原料，利用金屬熱還原制備多孔單質(zhì)硅粉末的方法。

背景技術(shù)：
單質(zhì)硅材料以其獨(dú)特的海綿狀的孔道結(jié)構(gòu)，特殊的導(dǎo)電性能，較大的比表面積，較高的壓阻系數(shù)，特殊的光致發(fā)光現(xiàn)象，使得其在傳感，微電子，微光學(xué)，燃料電池以及光電材料應(yīng)用方面有著自己的一席之地。同時(shí)多孔硅材料擁有著良好的生物降解性及生物相容性，使得其作為藥物緩釋劑載體和生物傳感器等藥用材料方面也有獨(dú)特的貢獻(xiàn)。這些優(yōu)點(diǎn)使單質(zhì)硅成為了廣大研究人員競(jìng)相研究的對(duì)象。一直以來制備單質(zhì)硅主要方法為電化學(xué)腐蝕法，但由于其制備工藝繁瑣、造價(jià)昂貴、副產(chǎn)物的環(huán)境污染嚴(yán)重等問題，同時(shí)得到的產(chǎn)物多以薄膜形式存在且孔結(jié)構(gòu)均勻性較差，因此開發(fā)新型、簡(jiǎn)便、易于操作的多孔硅粉末制備方法成為亟待解決的問題之一。以鎂熱法為代表的金屬熱還原法是近年來出現(xiàn)的一種新型制備多孔硅材料的方法，由于其工藝流程簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，副產(chǎn)物便于處理，得到的多孔硅材料均一性較好等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛關(guān)注。鎂熱法制備多孔硅多采用SiO2質(zhì)的天然礦物，例如硅藻土和蛋白石等，或人工合成的SiO2分子篩為模板。硅酸鹽礦物在自然界分布極為廣泛，已知硅酸鹽礦物有600余種，構(gòu)成了地殼巖石圈總重量的約85％。其中鋁硅酸鹽天然礦石為硅酸鹽礦物中重要一部分，其主要成分為SiO2和Al2O3，含有少量鈉離子、鐵離子等金屬陽離子以及硫化物等雜質(zhì)。天然硅鋁酸鹽礦產(chǎn)豐富，且種類繁多，常見的包括地開石、伊利石、高嶺石、鈣長(zhǎng)石、鉀云母、鉀長(zhǎng)石等等。不同種類的硅鋁酸鹽礦物的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)不同，因此以其為原料可以獲得多種不同孔道結(jié)構(gòu)的多孔單質(zhì)硅粉末。此外，與以二氧化硅為原料制備單質(zhì)硅不同，硅鋁酸鹽礦物中除得SiO2還含有大量Al2O3，而在制備單質(zhì)硅的過程中這些Al2O3也會(huì)隨之除去，從而創(chuàng)造出具有大比表面積和更多孔結(jié)構(gòu)的單質(zhì)硅粉末。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
為克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質(zhì)硅粉末的方法，能夠降低成本，有效提高其所得產(chǎn)物微觀結(jié)構(gòu)，并將反應(yīng)所用的硅源材料從SiO2質(zhì)原料擴(kuò)大到天然硅鋁酸鹽礦物，同時(shí)該方法中的還原金屬也不僅僅局限于鎂，金屬鈉同樣適用。本發(fā)明的目的是通過以下方案實(shí)現(xiàn)的：提供一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質(zhì)硅粉末的方法，包括以下步驟：1)將硅鋁酸鹽礦石充分粉碎，在0.1～1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡去除雜質(zhì)，獲得主要成分為SiO2和Al2O3的粉末；2)將步驟1)的產(chǎn)物烘干后與金屬還原劑粉末按摩爾比為1：1～1：10共同研磨使其充分混合，放入氣氛管式爐中，隔絕空氣或在惰性氣體保護(hù)下于300～800℃下鍛燒0.5～12h，冷卻后取出；3)將步驟2)反應(yīng)完成后的產(chǎn)物在0.1～1mol/L的稀鹽酸溶液或乙醇溶液中浸泡1～24h并進(jìn)行超聲清洗5～60min；將超聲清洗后的黑色固體依次浸入蒸餾水、稀HCl溶液、HF溶液中進(jìn)行反復(fù)酸洗、過濾，烘干后即得多孔單質(zhì)硅。使用蒸餾水洗滌的目的是為了去除反應(yīng)中的硅酸鈉、鋁酸鈉等副產(chǎn)物；酸洗的目的是為了去除反應(yīng)中的MgO及Mg2Si等副產(chǎn)物。所述的一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質(zhì)硅粉末的方法，步驟1)中使用的硅鋁酸鹽礦石為天然產(chǎn)出的硅質(zhì)巖石，其主要成分為SiO2和Al2O3。所述的一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質(zhì)硅粉末的方法，硅鋁酸鹽礦石為地開石、伊利石、高嶺石、鈣長(zhǎng)石、鉀云母、鉀長(zhǎng)石、黃玉、藍(lán)晶石或夕線石中的一種。所述的一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質(zhì)硅粉末的方法，步驟2)中使用的金屬還原劑為單質(zhì)鎂粉或?qū)⒈砻嬉后w石蠟擦拭凈并具有一定直徑尺寸的鈉金屬顆粒。所述的一種利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質(zhì)硅粉末的方法，步驟2)中使用的惰性氣體為高純氮?dú)饣蚋呒儦鍤狻Ｋ龅囊环N利用天然硅鋁酸鹽礦物制備多孔單質(zhì)硅粉末的方法，步驟3)中的超聲清洗是指在20000赫茲以上的超聲波中清洗。本發(fā)明所提出的利用天然硅鋁酸鹽制備單質(zhì)硅粉末的方法，原材料成本低廉，來源極為廣泛，制備方法簡(jiǎn)單。由于硅鋁酸鹽礦石結(jié)構(gòu)松散，所含雜質(zhì)易于去除，有利于直接應(yīng)用或進(jìn)行進(jìn)一步加工處理。單質(zhì)硅的全球需求量極大，應(yīng)用極廣，因此本發(fā)明具有極強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)價(jià)值和應(yīng)用前景。附圖說明圖1為實(shí)施例1的多孔硅粉末的X射線衍射譜圖；圖2為實(shí)施例1的多孔硅粉末的氮?dú)馕揭幻摳角€譜圖；圖3為實(shí)施例1的多孔硅粉末的掃描電鏡譜圖；圖4為實(shí)施例1的多孔硅粉末的紅外振動(dòng)光譜圖；具體實(shí)施方式利用硅鋁酸鹽天然礦石制備多孔單質(zhì)硅的制備方法的步驟如下：1)去除硅鋁酸鹽礦石中的雜質(zhì)，如MgO、CaO等：將硅鋁酸鹽礦石充分粉碎至1000～10000目，在0.1～1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡1～24h。硅鋁酸鹽礦石由于其結(jié)構(gòu)松散，呈多孔狀，其中的氧化物雜質(zhì)并未進(jìn)入礦物晶格內(nèi)部而易于去除。因此，將礦石在稀鹽酸中充分浸泡即可去除其中的氧化物雜質(zhì)，獲得主要成分為SiO2和Al2O3的粉末。硅鋁酸鹽礦石為天然產(chǎn)出的硅質(zhì)巖石,包括但不僅限于地開石，伊利石，高嶺石，鈣長(zhǎng)石，鉀云母，鉀長(zhǎng)石，黃玉，藍(lán)晶石，夕線石等，其主要成分為SiO2和Al2O3。2)礦石與金屬還原劑的反應(yīng)：將經(jīng)過步驟1)提純后的礦石烘干后與一定量的金屬還原劑粉末(如金屬鎂粉、金屬鈉粉等)充分研磨混合，隔絕空氣(指真空度允許范圍為0.1～1MPa)或在惰性氣體(為高純氮?dú)饣蚋呒儦鍤?保護(hù)下置于氣氛管式爐中，在300～800℃溫度下鍛燒0.5～12h，將產(chǎn)物冷卻后取出。其中，金屬還原劑為100～300目的鎂粉或?qū)⒈砻嬉后w石蠟擦拭凈并剪成具有一定直徑尺寸的鈉金屬顆粒中的某一種。3)單質(zhì)硅的制備：將步驟2)反應(yīng)完成后的產(chǎn)物在0.1～1mol/L的稀鹽酸溶液或乙醇溶液中浸泡1～24h并在20000赫茲以上的超聲波中進(jìn)行超聲清洗5～60min。將超聲清洗后的黑色固體依次浸入蒸餾水、稀HCl溶液、HF溶液中進(jìn)行反復(fù)酸洗、離心、過濾，用濾紙將離心管封口在50～150℃范圍內(nèi)保溫8～12h烘干后即得多孔單質(zhì)硅。使用的稀鹽酸為市售濃鹽酸與無水乙醇按一定體積比混合而得。制備過程中使用蒸餾水洗滌的目的是為了去除反應(yīng)中的硅酸鈉、鋁酸鈉等副產(chǎn)物；酸洗的目的是為了去除反應(yīng)中的MgO及Mg2Si等副產(chǎn)物。采用本方法制備的多孔單質(zhì)硅可廣泛應(yīng)用于傳感、微電子、微光學(xué)、燃料電池以及光電材料等方面。下面結(jié)合實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。實(shí)施例一：以地開石為原料1)取地開石粉碎，在1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡1h，獲得主要成分為SiO2和Al2O3的粉末；2)將步驟1)產(chǎn)物地開石粉末烘干后與鎂粉按照1：6的摩爾比混合，放入650℃氣氛管式爐中，真空環(huán)境下充分煅燒4h，冷卻后取出。3)將步驟2)所得物浸入0.5mol/L的稀鹽酸溶液中磁力攪拌10h，倒掉上清液后離心。倒入蒸餾水超聲清洗10min后離心，反復(fù)洗滌。用濾紙將離心管封口，置于100℃烘干10h后得到多孔單質(zhì)硅。實(shí)施例二：以地開石為原料1)取地開石粉碎，在1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡1h，獲得主要成分為SiO2和Al2O3的粉末；2)將步驟1)產(chǎn)物地開石粉末烘干后與鎂粉按照1：10的摩爾比混合，放入650℃氣氛管式爐中，真空環(huán)境下充分煅燒4h，冷卻后取出。3)將步驟2)所得物浸入0.1mol/L的稀鹽酸溶液中磁力攪拌24h，倒掉上清液后離心。倒入蒸餾水超聲清洗5min后離心，反復(fù)洗滌。用濾紙將離心管封口，置于100℃烘干10h后得到多孔單質(zhì)硅。實(shí)施例三：以伊利石為原料1)取伊利石粉碎，將所得粉末在0.1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡24h，以去除其中的雜質(zhì)。2)將步驟1)產(chǎn)物伊利石粉末烘干后與鎂粉按照1：1的摩爾比混合，在氬氣的保護(hù)下放入800℃氣氛管式爐內(nèi)鍛燒0.5h，冷卻后取出。3)將步驟2)產(chǎn)物冷卻后取出，在1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡1h，超聲清洗15min后離心，用蒸餾水洗滌離心3次。用濾紙將離心管封口，置于80℃烘干12h后得到多孔單質(zhì)硅。實(shí)施例四：以伊利石為原料1)取伊利石粉碎，將所得粉末在0.1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡24h，以去除其中的雜質(zhì)。2)將步驟1)產(chǎn)物伊利石粉末烘干后與鎂粉按照1：1的摩爾比混合，在氬氣的保護(hù)下放入800℃氣氛管式爐內(nèi)鍛燒0.5h，冷卻后取出。3)將步驟2)產(chǎn)物冷卻后取出，在1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡1h，超聲清洗15min后離心，用蒸餾水洗滌離心3次。用濾紙將離心管封口，置于80℃烘干12h后得到多孔單質(zhì)硅。實(shí)施例五：以鉀云母為原料1)取鉀云母粉碎，將所得粉末在0.1mol/L的稀鹽酸溶液中浸泡16h，以去除其中的雜質(zhì)。2)稱取金屬鈉塊，拭去表面液體石蠟，用剪刀剪成直徑在3mm左右的顆粒狀，將步驟1)和金屬鈉顆粒兩者按1：4摩爾比混合放入瓷舟內(nèi)，并將其放入氣氛管式爐內(nèi)。采用真空泵抽取至0.85MPa。將體系放入300℃爐中，真空環(huán)境下充分煅燒12h。3)將步驟2)所得物冷卻后在乙醇溶液中浸泡1h，超聲清洗15min后離心。將離心產(chǎn)物在1mol/L的稀鹽酸溶液浸泡1h，超聲清洗10min后離心.最后將產(chǎn)物在HF酸中浸泡30min，并超聲清洗20min后離心，置于150℃烘干8h后即得多孔單質(zhì)硅。