TWI888116B - 氮化矽奈米材料的製法 - Google Patents
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Abstract
一種氮化矽奈米材料的製法，將包含碳及二氧化矽的農業廢棄物進行酸洗、水洗及烘乾製得生質原料； 將生質原料在600℃進行低溫碳熱反應形成含碳及矽氧化物的第一粗產物，將第一粗產物進行酸洗、水洗及烘乾獲得碳化產物；將碳化產物與鐵系催化劑於氮氣氣氛中在1300℃至1600℃進行高溫碳熱反應，形成包含氮化矽奈米晶鬚、氮化矽奈米顆粒的第二粗產物，鐵系催化劑選自於由氯化鐵、氯化亞鐵及上述任意組合所組成的群組；及將第二粗產物進行提純處理，提純處理包括利用極性溶劑與非極性溶劑使第二粗產物中的氮化矽奈米晶鬚與氮化矽奈米顆粒相互分離。
Description
本發明是有關於一種氮化矽奈米材料的製法，特別是指一種使用農業廢棄物製備氮化矽奈米材料的製法。
氮化矽(Si3N4)是一種先進的陶瓷材料，其具有出色的熱機械性能、化學惰性、耐高溫、腐蝕耐久性、耐氧化性、耐腐蝕性及高導熱係數，故為目前最重要的結構應用工程陶瓷之一。
氮化矽的能隙寬(5.3eV)並可藉由摻雜異質原子來獲得不同的電子或光學特性。由於氮化矽具高機械強度、熱穩定性、化學穩定性、高摻雜濃度及卓越的光電和機械性能，使氮化矽奈米材料在許多方面具有潛在用途，例如奈米電池之能量轉換和儲存、激光、化學傳感和催化、光場發射元件、奈米複合材料、增強材料，故氮化矽被認為是未來高溫微電子和光電子元件之重要材料。
因此，本發明之目的，即在提供一種新穎的氮化矽奈米材料的製法。
於是，本發明氮化矽奈米材料的製法，包含以下步驟：(1)將包含碳及二氧化矽的農業廢棄物依序進行酸洗、水洗及烘乾，製得生質原料；(2)將該生質原料在600℃進行低溫碳熱反應形成包含碳及矽氧化物的第一粗產物，並將該第一粗產物依序進行酸洗、水洗及烘乾而獲得包含該碳及該矽氧化物的碳化產物；(3)將該碳化產物與鐵系催化劑於氮氣氣氛中在1300℃至1600℃進行高溫碳熱反應，形成包含氮化矽奈米晶鬚及氮化矽奈米顆粒的第二粗產物，其中，該鐵系催化劑選自於由氯化鐵、氯化亞鐵及上述任意組合所組成的群組；及(4).將該第二粗產物進行提純處理，該提純處理包括利用極性溶劑與非極性溶劑使該第二粗產物中的該氮化矽奈米晶鬚與該氮化矽奈米顆粒相互分離。
本發明之功效在於：本發明利用該農業廢棄物製備出氮化矽奈米材料，尤其於進行該高溫碳熱反應時配合使用該鐵系催化劑降低了該氮化矽奈米晶鬚的生成溫度。
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中：圖1是本發明的實施例A組的氮化矽奈米晶鬚的表面形貌；圖2是本發明的實施例B組的氮化矽奈米晶鬚的表面形貌；圖3是對照例A組的氮化矽奈米晶鬚的表面形貌；圖4是本發明的實施例A組的氮化矽奈米晶鬚的X光繞射圖；圖5是本發明的實施例B組的氮化矽奈米晶鬚的X光繞射圖；圖6是對照例A組的氮化矽奈米晶鬚的X光繞射圖；圖7A及圖7B是本發明的實施例A組的氮化矽奈米晶鬚的拉曼光譜圖；圖8A及圖8B是本發明的實施例B組的氮化矽奈米晶鬚的拉曼光譜圖；及圖9A及圖9B是對照例A組的氮化矽奈米晶鬚的拉曼光譜圖。
本發明氮化矽奈米材料的製法，包含以下步驟(1)至(4)。以下就步驟(1)至(4)進一步詳細說明。
[步驟(1)]
該步驟(1)中將包含碳及二氧化矽的農業廢棄物依序進行酸洗、水洗及烘乾，製得生質原料。
該農業廢棄物例如但不限於稻稈。
該酸洗是以酸性液體去除該農業廢棄物中的金屬雜質及無機鹽類，該酸性液體例如但不限於濃度0.5N的鹽酸。
[步驟(2)]
該步驟(2)中將該生質原料在600℃進行低溫碳熱反應形成包含碳及矽氧化物的第一粗產物，並將該第一粗產物依序進行酸洗、水洗及烘乾而製得包含該碳及該矽氧化物的碳化產物。
該低溫碳熱反應的時間例如但不限於3小時。
該酸洗是以酸性液體去除殘留在該第一粗產物中的金屬雜質及無機鹽類，該酸性液體例如但不限於濃度0.5N的鹽酸。
[步驟(3)]
該步驟(3)中將該碳化產物與鐵系催化劑於氮氣氣氛中在1300℃至1600℃進行高溫碳熱反應形成包含氮化矽奈米晶鬚、氮化矽奈米顆粒及殘留的該碳的第二粗產物。
該鐵系催化劑選自於由氯化鐵、氯化亞鐵及上述任意組合所組成的群組。在本發明的一些實施態樣中，以該碳化產物的用量為1公克計，該鐵系催化劑的用量為0.03公克。
該高溫碳熱反應的時間範圍例如但不限於4小時。
該氮化矽奈米晶鬚的晶相包括α-Si3N4及β-Si3N4，該α-Si3N4為主晶相，該β-Si3N4為次級晶相。
[步驟(4)]
該步驟(4)中將該第二粗產物進行提純處理，該提純處理包括利用極性溶劑與非極性溶劑使該第二粗產物中的該氮化矽奈米晶鬚與該氮化矽奈米顆粒相互分離；以及將相互分離的該氮化矽奈米晶鬚與該氮化矽奈米顆粒各自在600℃加熱以去除殘留的該碳。
該極性溶劑例如但不限於水。該非極性溶劑例如但不限於二甲苯。
本發明將就以下實施例來作進一步說明，但應瞭解的是，所述實施例僅為例示說明之用，而不應被解釋為本發明實施之限制。
[實施例A組]
(1)將稻稈粉末依序進行酸洗、水洗及烘乾製得生質原料。其中，該酸洗是將該稻稈粉末與0.5N鹽酸在80℃攪拌混合2小時，以去除該稻稈粉末中的金屬雜質及無機鹽類而得到經酸洗稻稈粉末。該水洗是將該經酸洗稻稈粉末以去離子水清洗至pH值為中性。
(2)將該生質原料在600℃加熱3小時進行低溫碳化還原形成包含碳及矽氧化物的第一粗產物，再將該第一粗產物依序進行酸洗、水洗及烘乾而獲得包含該碳及該矽氧化物的碳化產物。其
中，該酸洗是將該第一粗產物與0.5N鹽酸在80℃攪拌混合2小時，得到經酸洗第一粗產物。該水洗是將該經酸洗第一粗產物以去離子水清洗至pH值為中性。
(3)將1公克的該碳化產物與0.03公克的氯化亞鐵置於一坩鍋內後於氮氣氣氛中(氮氣的流量為500sccm)在1300℃至1600℃加熱進行高溫碳熱反應，生成包含氮化矽奈米晶鬚、氮化矽奈米顆粒及殘留的該碳的第二粗產物。該第二粗產物中大部分的該氮化矽奈米晶鬚附著在該坩堝的表面，該氮化矽奈米顆粒被殘留的該碳包覆。
(4)將該第二粗產物從該坩堝中取出並移入一燒杯中，然後在該燒杯中加入去離子水並利用均質機以5000rpm/min的轉速進行攪拌，再於該燒杯中添加二甲苯，因該二甲苯與該去離子水不互溶會分層，使得被殘留的該碳包覆的該氮化矽奈米顆粒因疏水性而懸浮於該二甲苯的液面，而該氮化矽奈米晶鬚沉降於該燒杯底部，接著利用分液漏斗進行分液過濾而使該氮化矽奈米晶鬚與被殘留的該碳包覆的該氮化矽奈米顆粒相互分離。之後，將該氮化矽奈米晶鬚烘乾後在600℃恆溫10小時以去除因靜電附著的該碳，以及將被殘留的該碳包覆的該氮化矽奈米顆粒烘乾後在600℃恆溫10小時以去除包覆的該碳。
[實施例B組]
實施例B組與實施例A組的差異在於，在該步驟(3)中不是使用氯化亞鐵，而是改為使用氯化鐵。
[對照例A組]
對照例A組與實施例A組及實施例B組的差別在於，對照例A組在該步驟(3)中沒有使用鐵系催化劑。
表面形貌分析：
利用場發射掃描式電子顯微鏡(廠牌型號：JEOL JSM-6701F)分別拍攝實施例A組、實施例B組及對照例B組中所獲得的氮化矽奈米晶鬚的表面形貌，所得結果如圖1至圖3所示。
X光繞射(X-ray diffraction，XRD)分析：
利用X光繞射儀(廠牌型號：Bruker D2 phaser)分別分析實施例A組、實施例B組及對照例B組中所獲得的氮化矽奈米晶鬚，所得結果如表1至表3及圖4至圖6所示。
拉曼光譜分析：
利用拉曼光譜儀(廠牌型號：法國Jobin Yvon/Labram HR)分別分析實施例A組、實施例B組及對照例B組中所獲得的氮化矽奈米晶鬚，所得結果如圖7至圖9所示。
產率分析：
利用以下算式計算氮化矽奈米晶鬚及氮化矽奈米顆粒的總產率，以及氮化矽奈米晶鬚的占比。
NWs為氮化矽奈米晶鬚的重量(單位：公克)
NPs為氮化矽奈米顆粒的重量(單位：公克)
CRs為碳化產物的重量(單位：公克)
參閱表1及表2，有添加鐵系催化劑進行高溫碳熱反應的實施例A組及實施例B組，在高溫碳熱反應的溫度1400℃所獲得的氮化矽奈米晶鬚的占比最高，當高溫碳熱反應的溫度升高到1500℃至1600℃時所獲得的氮化矽奈米晶鬚的占比降低，也就是氮化矽奈米顆粒的占比相對增加。參閱表3，沒有添加鐵系催化劑進行高溫碳熱反應的對照例A組，氮化矽奈米晶鬚的占比隨著高溫碳熱反應的溫度升高而增加，在高溫碳熱反應的溫度1600℃所獲得的氮化矽奈米晶鬚的占比最高。對照之下可知，本發明透過於進行高溫碳熱反應時添加鐵系催化劑，讓氮化矽奈米晶鬚與氮化矽奈
米顆粒的生長趨勢改變，尤其能在較低的高溫碳熱反應的溫度(1400℃)獲得較多的氮化矽奈米晶鬚。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
Claims (10)
- 一種氮化矽奈米材料的製法，包含以下步驟： (1) 將包含碳及二氧化矽的農業廢棄物依序進行酸洗、水洗及烘乾，製得生質原料； (2) 將該生質原料在600℃進行低溫碳熱反應形成包含碳及矽氧化物的第一粗產物，並將該第一粗產物依序進行酸洗、水洗及烘乾而獲得包含該碳及該矽氧化物的碳化產物； (3) 將該碳化產物與鐵系催化劑於氮氣氣氛中在1300℃至1600℃進行高溫碳熱反應，形成包含氮化矽奈米晶鬚及氮化矽奈米顆粒的第二粗產物，其中，該鐵系催化劑選自於由氯化鐵、氯化亞鐵及上述任意組合所組成的群組；及 (4).將該第二粗產物進行提純處理，該提純處理包括利用極性溶劑與非極性溶劑使該第二粗產物中的該氮化矽奈米晶鬚與該氮化矽奈米顆粒相互分離。
- 如請求項1所述的氮化矽奈米材料的製法，其中，以該碳化產物的用量為1公克計，該鐵系催化劑的用量為0.03公克。
- 如請求項1所述的氮化矽奈米材料的製法，其中，該氮化矽奈米晶鬚的晶相包括α-Si 3N 4。
- 如請求項3所述的氮化矽奈米材料的製法，其中，該氮化矽奈米晶鬚的晶相還包括β-Si 3N 4。
- 如請求項1所述的氮化矽奈米材料的製法，其中，在該步驟(4)中該極性溶劑是水。
- 如請求項1所述的氮化矽奈米材料的製法，其中，在該步驟(4)中該非極性溶劑是二甲苯。
- 如請求項1所述的氮化矽奈米材料的製法，其中，在該步驟(4)中該提純處理還包括將相互分離的該氮化矽奈米晶鬚與該氮化矽奈米顆粒各自在600℃加熱以去除殘留的該碳。
- 如請求項1所述的氮化矽奈米材料的製法，其中，在該步驟(1)中該農業廢棄物是稻稈粉末。
- 如請求項1所述的氮化矽奈米材料的製法，其中，在該步驟(1)中該酸洗是以酸性液體去除該農業廢棄物中的金屬雜質及無機鹽類。
- 如請求項1所述的氮化矽奈米材料的製法，其中，在該步驟(2)中該酸洗是以酸性液體清洗該第一粗產物。
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