一种硅碳复合物的电化学制备方法及制备的硅碳复合物

本发明涉及有色金属冶金，更具体的涉及一种硅碳复合物的电化学制备方法及制备的硅碳复合物。

背景技术：

1、sic和sic/c是一种基于碳化硅的材料，具有高温强度、耐腐蚀性、高热导率、高抗氧化性和高硬度等优异的物理和化学性质。它们在许多领域中都有广泛的应用。sic主要应用于：（一）电力电子领域：sic功率器件因其高击穿场强度和高热导率等特性而受到广泛关注。它们可以用于高温、高电压、高频等应用，如电动汽车、太阳能逆变器、高速列车、空调、太赫兹射频等领域；（二）光电领域：sic有很好的光学和电学性质，因此可用于制造高性能的光电子器件和材料，如led、激光器、探测器等。（三）纳米领域：由于其硬度和化学稳定性，sic可用于制造纳米器件、纳米催化剂和纳米模板等；（四）防护领域：sic因其高硬度、耐腐蚀性和高温强度，可用于制造防护材料和陶瓷装甲。sic/c主要应用于：（一）航空航天领域：sic/c材料因其轻质、高强度、高刚性和高温稳定性等特性，可用于制造航空航天器件、发动机部件、热保护材料等；（二）汽车工业领域：sic/c材料可用于制造汽车制动盘和离合器等部件，具有高温稳定性和耐磨损性能。两种材料的不同特性需物尽其用，因此可控、定向制备sic、sic/c复合物极具发展、应用前景。

2、目前，工业上的sic、sic/c复合物主要通过焦炭中碳热还原来生产，这不可避免地需要极高的温度，通常超过1500 ℃，导致能量消耗和相关费用的增加。熔盐电化学法作为一种直接在熔融盐中电化学还原固体氧化物以获得金属/合金的方法，碱金属氯化物被认为是一种潜在的熔融盐其熔融盐具有显著的离子导电性，并具有广泛的电化学窗口，同时在不超过1000℃相对较低的温度下保持原料的初始结构。因此熔盐电化学法相较其他提纯方法方法有着工艺简单，便于操作，投资成本低，对原料无特殊要求，所得产品纯度高、杂质含量低、产品形貌易于控制等优点，在金属氧化物原位固态脱氧制备金属及合金方面体现出独特的魅力。

3、中国专利cn110433836a公开了一种碳化硅/碳光催化复合材料的熔盐电化学制备方法，该方法通过外加硅源或预先煅烧生物质调节原料中硅、碳元素质量比，然后原料压片制成电极，随后在熔盐中电解得到碳化硅/碳复合材料。但问题在于预先煅烧生物质污染环境，耗时耗力，并且只能产出单一碳化硅/碳复合材料，并不能实现sic、sic/c复合物的可控、定向制备。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供了一种硅碳复合物的电化学制备方法及制备的硅碳复合物，利用电化学方法在熔融盐中定向生成sic、sic/c复合物。

2、本发明提供了一种硅碳复合物的电化学制备方法，包括以下步骤：

3、硅源和碳源混合反应得到电解前驱体；

4、电解前驱体压片后在保护气氛下650-850 ℃煅烧得到电解阴极片；

5、以石墨为阳极、电解阴极片为阴极，含有氯化镁的碱金属氯化物为电解质，在保护气氛下进行电解得到碳硅复合物；

6、当槽电压大于氯化镁的理论分解电压时，氯化镁分解原位生成氧化镁，阻碍石墨和硅的结合，生成sic/c；

7、当槽电压小于氯化镁的理论分解电压时，碳和硅结合生成sic，以及槽电压大于氯化镁的理论分解电压时，氯化镁分解原位生成的氧化镁无法阻碍石墨和硅的结合，生成sic。

8、本发明的一个优选实施例中，当2.7 v≤槽电压≤2.8 v，温度为600 ℃-1000 ℃，电解时间为4-9 h时，制备得到sic/c。

9、本发明的一个优选实施例中，当2.4 v≤槽电压＜2.7 v，温度为600 ℃-1000 ℃，电解时间为4-24 h，以及2.7 v≤槽电压≤2.8 v，温度为600 ℃-1000 ℃，电解时间大于9h时，制备得到的硅碳复合物为sic。

10、本发明的一个优选实施例中，电解阴极片中的硅和碳的摩尔比为1:1-2。

11、本发明的一个优选实施例中，碱金属氯化物包括熔盐a和/或熔盐b；

12、熔盐b的添加量为熔盐a质量的0.1-10%；

13、熔盐a为氯化镁、氯化钙、氧化钙的混合物；熔盐b为氯化锂、氯化锌、氯化钾中的一种或多种。

14、本发明的一个优选实施例中，硅源为sio、sio2、mgsio3或mg2sio4。

15、本发明的一个优选实施例中，碳源为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、果糖或盐酸多巴胺。

16、本发明的一个优选实施例中，煅烧时间为3-8 h。

17、本发明的一个优选实施例中，电解结束后采用盐酸对碳硅复合物进行酸洗，盐酸的浓度为0.1-4 wt%，酸洗时间为0.1-12 h。

18、本发明的第二个目的是提供上述制备制备得到的碳硅复合物，所述碳硅复合物为sic或sic/c。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、1、本发明制备通过调节电解参数----槽电压、电解时间，定向、可控制备sic或sic/c，当高于氯化镁的理论分解电压时，氯化镁就会分解出镁离子，进而和电解阴极片脱出的氧离子结合成氧化镁。氧化镁呈惰性，不溶于熔盐，阻碍从阳极迁移来的石墨与阴极上的硅结合成sic，从而生成sic/c；当氧化镁无法阻碍石墨和碳的结合，则生成sic。当槽电压小于氯化镁的理论分解电压时，碳和硅结合生成sic，此时的碳来源于阴极片本身的碳和阳极迁移来的石墨碳。

21、2、本发明选用来源丰富、价格低廉的硅前驱体为原料，制备工艺流程短，能耗低，效率高且产物形貌可控。

22、3、本发明制备得到的sic、sic/c复合物均为纳米结构，有着很好的应用前景；且两种材料的不同特性需物尽其用，因此可控、定向制备sic、sic/c复合物极具发展前景。

技术特征：

1.一种硅碳复合物的电化学制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种硅碳复合物的电化学制备方法，其特征在于，当2.7 v≤槽电压≤2.8 v，温度为600℃-1000 ℃，电解时间为4-9 h时，制备得到sic/c。

3.根据权利要求1所述的一种硅碳复合物的电化学制备方法，其特征在于，当2.4 v≤槽电压＜2.7 v，温度为600 ℃-1000 ℃，电解时间为4-24 h，以及2.7 v≤槽电压≤2.8 v，温度为600 ℃-1000 ℃，电解时间大于9 h时，制备得到的硅碳复合物为sic。

4.根据权利要求1所述的一种硅碳复合物的电化学制备方法，其特征在于，电解阴极片中的硅和碳的摩尔比为1:1-2。

5.根据权利要求1所述的一种硅碳复合物的电化学制备方法，其特征在于，碱金属氯化物包括熔盐a和/或熔盐b；

6.根据权利要求1所述的一种硅碳复合物的电化学制备方法，其特征在于，硅源为sio、sio2、mgsio3或mg2sio4。

7.根据权利要求1所述的一种硅碳复合物的电化学制备方法，其特征在于，碳源为葡萄糖、蔗糖、柠檬酸、果糖或盐酸多巴胺。

8.根据权利要求1所述的一种硅碳复合物的电化学制备方法，其特征在于，煅烧时间为3-8 h。

9.根据权利要求1所述的一种硅碳复合物的电化学制备方法，其特征在于，电解结束后采用盐酸对碳硅复合物进行酸洗，盐酸的浓度为0.1-4 wt%，酸洗时间为0.1-12 h。

10.一种权利要求1-9任一项所述的制备方法制备得到的碳硅复合物，其特征在于，所述碳硅复合物为sic或sic/c。

技术总结
本发明公开了一种硅碳复合物的电化学制备方法及制备的硅碳复合物，属于有色金属冶金技术领域。硅碳复合物的制备方法为：硅源和碳源混合反应得到电解前驱体；电解前驱体压片后在保护气氛下煅烧得到电解阴极片；以石墨为阳极、电解阴极片为阴极，含有氯化镁的碱金属氯化物为电解质，保护气氛下电解得到碳硅复合物；当槽电压大于氯化镁的理论分解电压时，氯化镁分解生成氧化镁，阻碍石墨和硅的结合，生成SiC/C；当槽电压小于氯化镁的理论分解电压时，碳和硅结合生成SiC，以及槽电压大于氯化镁的理论分解电压时，氯化镁分解生成的氧化镁无法阻碍石墨和硅的结合，生成SiC。本发明利用电化学方法在熔融盐中定向生成SiC、SiC/C。

技术研发人员：周忠仁,蒋思威,董鹏,张英杰,段建国,张雁南,王丁,曾晓苑,张义永,肖杰,李雪,王贤树,吴灿,孟奇,邢宇博,韩丽娜,张呈旭,吴昊,朱子翼,陈玉祥,袁守怡,杨晓萍,龚航,樊珈宏,姚俊,吴新涛,刘亚泽成,胡鹏
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23