一種二氧化硅納米線的制備方法與流程

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導(dǎo)航： X技術(shù)> 最新專利>無機(jī)化學(xué)及其化合物制造及其合成,應(yīng)用技術(shù)

本發(fā)明涉及納米材料領(lǐng)域，具體地涉及一種二氧化硅納米線的制備方法。

背景技術(shù)：

作為農(nóng)作物副產(chǎn)物的稻殼是稻米加工過程中數(shù)量最大的副產(chǎn)物，按重量計(jì)約占稻谷的20重量％。根據(jù)聯(lián)合國食品農(nóng)業(yè)組織的統(tǒng)計(jì)，全球每年收獲的稻谷超過7億噸，我國稻谷產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的30重量％以上，居世界第一位，是一種量大、面廣、價(jià)廉的可再生資源。然而稻殼的表面堅(jiān)硬、硅含量高，不易被細(xì)菌分解，且堆積密度小，若作為一種農(nóng)作物或稻谷行業(yè)的加工廢棄物丟棄，不僅污染環(huán)境，同時(shí)也造成資源的浪費(fèi)。因此，對稻殼等農(nóng)作物副產(chǎn)物中的有效成分進(jìn)行高值化加工利用意義重大。

有效提純并充分利用稻殼等農(nóng)作物副產(chǎn)物中的二氧化硅，使之轉(zhuǎn)化為二氧化硅類系列產(chǎn)品，如泡花堿、白炭黑及納米二氧化硅等，這不僅促進(jìn)了稻殼的高值化利用，又使農(nóng)業(yè)廢棄物變廢為寶。

二氧化硅納米線是一種極具潛力的一維納米材料，其可用于制備電子材料、樹脂復(fù)合材料等。

因此，提供一種以稻殼為硅源直接制備二氧化硅納米線的方法極其有用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種新型的通過含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物來制備得到二氧化硅納米線的方法。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種二氧化硅納米線的制備方法，該方法包括：

(1)將含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物和含鐵化合物進(jìn)行接觸，將接觸后的產(chǎn)物進(jìn)行干燥，將干燥后的產(chǎn)物進(jìn)行焙燒，其中，所述焙燒條件包括：溫度為350-900℃，時(shí)間為1.5-8h；

(2)在乙二胺存在下，將焙燒后的產(chǎn)物和水進(jìn)行水熱反應(yīng)，其中，所述水熱反應(yīng)的條件包括：溫度為130-200℃，時(shí)間為20-200h。

通過采用本發(fā)明的方法，可以將含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物中的硅進(jìn)行重復(fù)使用，合成得到二氧化硅納米線，從而變廢為寶。并且，在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，還可以高收率地制得二氧化硅納米線。

本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的具體實(shí)施方式部分予以詳細(xì)說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與下面的具體實(shí)施方式一起用于解釋本發(fā)明，但并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中：

圖1是根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式的方法進(jìn)行的實(shí)施例1所得的二氧化硅納米線的sem圖譜。

具體實(shí)施方式

以下對本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

本發(fā)明提供一種二氧化硅納米線的制備方法，該方法包括：

(2)在乙二胺存在下，將焙燒后的產(chǎn)物和水進(jìn)行水熱反應(yīng)，其中，所述水熱反應(yīng)的條件包括：溫度為130-200℃，時(shí)間為20-200h。

根據(jù)本發(fā)明，所述含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物可以為本領(lǐng)域常規(guī)的各種含有硅元素的農(nóng)作物的副產(chǎn)物，優(yōu)選地，所述含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物中以sio2計(jì)的硅含量為5-25重量％。該副產(chǎn)物包括農(nóng)作物的莖稈、葉子、殼等廢棄物。優(yōu)選地，所述含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物為稻殼、小麥、大麥、燕麥、甘蔗和玉米等中的一種或多種，更優(yōu)選為稻殼。

其中，稻殼中富含纖維素類、木質(zhì)素類、二氧化硅等，基于稻谷的品種、地區(qū)、氣候等條件的差異，稻殼的組成會有所不同，大致組成如下：纖維素35-40重量％，半纖維素類15-20重量％，木質(zhì)素類20-25重量％，以二氧化硅計(jì)的硅含量為10-21重量％，余量為灰分、脂肪、蛋白質(zhì)、無機(jī)鹽等。即本發(fā)明的所述含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物更優(yōu)選為以sio2計(jì)的硅含量為10-21重量％的稻殼。

根據(jù)本發(fā)明，所述含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物可以直接與含鐵化合物進(jìn)行接觸，也可以在接觸前進(jìn)行一定的除雜處理，例如可以先進(jìn)行水洗，然后再與含鐵化合物進(jìn)行接觸。

根據(jù)本發(fā)明，對所述含鐵化合物并無特別的限定，只要能夠在焙燒過程中形成fe2o3即可，優(yōu)選地，所述含鐵化合物為fe(no3)3、fecl3、fe2(so4)3、fe(no3)2、fecl2和feso4中的一種或多種，更優(yōu)選為fe(no3)3、fecl3和fe2(so4)3中的一種或多種。

根據(jù)本發(fā)明，對所述含鐵化合物的用量并無特別的限定，只要能夠在焙燒后獲得適量的fe2o3以催化隨后的水熱反應(yīng)即可，優(yōu)選地，相對于100重量份的以sio2計(jì)的所述含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物，以fe2o3計(jì)的含鐵化合物的用量為60-180重量份，優(yōu)選為85-130重量份，更優(yōu)選為90-130重量份。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)中，將含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物和含鐵化合物進(jìn)行接觸的方式可以是將所述含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物和含鐵化合物進(jìn)行攪拌混合。為了能夠便于該攪拌混合的接觸方式，所述含鐵化合物以含鐵化合物的水溶液的形式與所述含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物進(jìn)行接觸。優(yōu)選地，所述含鐵化合物的水溶液中，以fe2o3計(jì)的含鐵化合物的含量為5-50重量％，優(yōu)選為10-30重量％，更優(yōu)選為10-25重量％。

根據(jù)本發(fā)明，對步驟(1)的接觸條件并無特別的限定，優(yōu)選采用能夠使得所述含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物和含鐵化合物均勻混合的條件進(jìn)行。例如，所述接觸的條件包括：攪拌速度為200-2000rpm(優(yōu)選為300-1000rpm，更優(yōu)選為400-800rpm)，時(shí)間為20-60min，溫度為50-100℃(優(yōu)選為60-90℃，更優(yōu)選為70-80℃)。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)中，還包括將接觸后的產(chǎn)物進(jìn)行干燥以除去接觸后的產(chǎn)物中的水分，本發(fā)明對所述干燥的條件并無特別的限定，只要能夠有效地除去水分即可，優(yōu)選地，步驟(1)中，所述干燥的條件包括：溫度為60-120℃(優(yōu)選為80-100℃)，時(shí)間為20-100h(優(yōu)選為40-80h)。這里的干燥可以在本領(lǐng)域常規(guī)的各種進(jìn)行干燥的儀器中進(jìn)行，例如鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(1)中，將干燥后的產(chǎn)物進(jìn)行焙燒，盡管在所述焙燒條件包括：溫度為350-900℃，時(shí)間為1.5-8h下即可結(jié)合其他特征獲得含有附著有fe2o3的二氧化硅粉體的產(chǎn)物，但是為了能夠充分地通過焙燒除去含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物的其他成分以及將含鐵化合物氧化轉(zhuǎn)化為fe2o3，優(yōu)選地，所述焙燒條件包括：溫度為400-700℃(更優(yōu)選為400-600℃)，時(shí)間為2-6h(更優(yōu)選為4-6h)。其中，通過該焙燒過程，所得的焙燒后的產(chǎn)物，可認(rèn)為是主要由附著有fe2o3的二氧化硅粉體組成，可能還含有一些農(nóng)作物副產(chǎn)物中原本包含有的少量金屬離子等。

根據(jù)本發(fā)明，步驟(2)中，主要通過水熱反應(yīng)的方法使得二氧化硅能夠重新組合，得到二氧化硅納米線，盡管本發(fā)明并無特別的限定，但是先將焙燒后的產(chǎn)物冷卻至室溫(約10-30℃)后，再進(jìn)行所述水熱反應(yīng)。

其中，乙二胺既可提供堿性環(huán)境，又可參與并促進(jìn)水熱反應(yīng)的進(jìn)行。優(yōu)選情況下，步驟(2)中，相對于1g焙燒后的產(chǎn)物，所述乙二胺的用量為2-20g，優(yōu)選為10-18g。

根據(jù)本發(fā)明，對水的用量并無特別的限定，只要能夠進(jìn)行所述水熱反應(yīng)即可，優(yōu)選地，步驟(2)中，相對于1g焙燒后的產(chǎn)物，水的用量為2-20g，優(yōu)選為5-15重量份，更優(yōu)選為8-13重量份。

根據(jù)本發(fā)明，盡管在所述水熱反應(yīng)的條件包括：溫度為130-200℃，時(shí)間為20-200h下即可結(jié)合本發(fā)明的方法的步驟(1)和(2)中的其他條件獲得二氧化硅納米線，為了能夠更高收率地制得二氧化硅納米線，優(yōu)選地，所述水熱反應(yīng)的條件包括：溫度為160-200℃(更優(yōu)選為180-200℃)，時(shí)間為24-180h(更優(yōu)選為70-150h)。

根據(jù)本發(fā)明，盡管經(jīng)過步驟(2)的水熱反應(yīng)的過程即可獲得二氧化硅納米線，但是為了能夠?qū)⒍趸杓{米線提純出來，優(yōu)選情況下，該方法還包括：(3)將步驟(2)水熱反應(yīng)后的產(chǎn)物冷卻至10-40℃后，進(jìn)行固液分離，所得固相與酸溶液進(jìn)行接觸反應(yīng)。通過這樣與酸溶液的接觸反應(yīng)，可以除去鐵的氧化物，以及其他的一些無機(jī)鹽，金屬離子等。

其中，這里的固液分離可以過濾、離心分離，也可以是簡單的沉降后將上層清液傾倒除去的傾液方式，本發(fā)明對此并無特別的限定。

其中，所述酸溶液可以是鹽酸水溶液、硫酸水溶液和硝酸水溶液中的一種或多種。對所述酸溶液的濃度并無特別的限定，例如其濃度可以為10-90重量％(如果考慮到酸的飽和度的話，該范圍可以調(diào)整為酸的飽和濃度，例如鹽酸可以采用10-37.5重量％的鹽酸水溶液，優(yōu)選為20-30重量％的鹽酸水溶液)。

其中，對所述酸溶液的用量也并無特別的限定，只要能夠充分地除去雜質(zhì)(主要是除去鐵的氧化物及稻殼中少量的其他金屬離子)即可，在滿足上述濃度范圍下，優(yōu)選地，相對于100重量份的焙燒后的產(chǎn)物，所述酸溶液的用量為20-300重量份，優(yōu)選為25-200重量份，更優(yōu)選為30-100重量份。

優(yōu)選情況下，所述接觸反應(yīng)的條件包括：溫度為40-80℃，時(shí)間為2-48h(優(yōu)選為2-10h)。

根據(jù)本發(fā)明，為了能夠徹底清洗，還可以包括在所述接觸反應(yīng)后，用水洗至中性，即用水洗滌一次以上，至洗滌后的水呈中性，這也表示剩余的具有二氧化硅納米線的含水的產(chǎn)物是中性的。在水洗后，還可以通過干燥來獲得干燥的二氧化硅納米線，這里的干燥可以采用各種常規(guī)的干燥條件和干燥儀器進(jìn)行，例如在鼓風(fēng)干燥箱中，在60-120℃下干燥24-48h。

通過采用本發(fā)明的方法，可以將含硅的農(nóng)作物副產(chǎn)物中的硅進(jìn)行重復(fù)使用，合成得到二氧化硅納米線，從而變廢為寶，例如所制得二氧化硅納米線的長度大約均在1μm以上。并且，在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實(shí)施方式中，還可以高收率地制得二氧化硅納米線，例如收率為75％以上。

以下將通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)描述。

以下實(shí)施例和對比例中，

稻殼中的以sio2計(jì)的硅含量為20重量％。

實(shí)施例1