本发明涉及一种活性炭负载多孔二氧化硅材料及其制备方法和应用。
背景技术：
1、在多晶硅生产过程的中间产物三氯氢硅的合成步骤中，原料硅粉中含有各种金属以及非金属杂质，原料氯化氢也不是高纯气体，其中含有一些杂质气体，所以在产物三氯氢硅中，还包含很多副反应所带来的杂质，如：alcl3，zncl2，crcl3，ticl4，pbcl2，agcl，bcl3，ccl4，cacl2，cucl2，pcl3等，若不提纯或提纯不深入，则会导致多晶硅中也存在这些杂质。其中，磷元素是影响多晶硅产品质量的重要杂质，因此要求其含量必须非常低。
2、为达到该目的，分离效率高、设备投入低的吸附法被研究者广泛采用。其中，活性炭作为关键的吸附材料，仍存在表面官能团较弱、吸附选择性差等问题，二氧化硅是另外一种性能优异的吸附剂，具有高比表面积、高机械强度、高耐温性等特点。因此制备活性炭负载二氧化硅材料是开发新型吸附剂的重要途径。
3、然而，现有制备方法产物中负载的二氧化硅多为实心球，只具备活性炭和二氧化硅聚集形成的二级孔道，对于更小分子的杂质不具备吸附作用，效果单一，并且，通常是先合成二氧化硅再负载到活性炭上，步骤多，流程复杂，且实心球二氧化硅与活性炭载体结合力不强，易导致二级孔道坍塌，造成二氧化硅脱落，影响吸附性能，甚至污染吸附样品，而多孔二氧化硅更难负载。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题是针对现有技术存在的以上不足，提供一种活性炭负载多孔二氧化硅材料及其制备方法和应用，该材料具有三级甚至以上孔道，可大大提高可吸附分子大小范围，吸附效果好，并且制备流程简单，二氧化硅与活性炭载体结合力更强，该材料特别适合用于氯硅烷吸附除磷等场合，能够有效提高多晶硅产品质量，具有巨大的应用前景。
2、本发明解决上述技术问题的技术方案是：
3、根据本发明的第一个方面，提供一种活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，包括：
4、(1)将乙醇和水混合均匀，加入适量硅烷前驱体，再次混合均匀，制得硅烷前驱体溶液；
5、(2)将适量活性炭加入到硅烷前驱体溶液中，混合均匀，再加入引发剂，在一定搅拌条件下搅拌一段时间，使硅烷前驱体水解缩合反应生成二氧化硅并在活性炭上原位负载，得到活性炭负载二氧化硅；
6、(3)将活性炭负载二氧化硅分散到水中，加入保护剂，沸腾回流一段时间后冷却，再加入适量致孔剂，搅拌刻蚀一段时间，经洗涤、干燥、煅烧后，得到活性炭负载多孔二氧化硅材料。
7、可选的是，乙醇与水的体积比为1～3：1。
8、可选的是，硅烷前驱体的用量与乙醇和水的总用量的体积比为1：1～24。
9、可选的是，硅烷前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、多聚硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、3-(氨基丙基)三乙氧基硅烷中的一种或几种的组合物。
10、可选的是，活性炭为煤质活性炭、果壳活性炭、木质活性炭、石油类活性炭中的一种或者几种的组合物。
11、可选的是，引发剂为氨水，氨水与硅烷前驱体的体积比为1～4：1。
12、可选的是，在步骤(2)中，搅拌速度为≥500rpm/min，搅拌时间为2～10h。
13、可选的是，保护剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮与氨水的质量比为1：1～3。
14、可选的是，沸腾回流时间为2～5h。
15、可选的是，致孔剂为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为1～3mol/l，氢氧化钠溶液与氨水的体积比为1～8：1，搅拌刻蚀时间为1～3h。
16、根据本发明的第二个方面，提供一种活性炭负载多孔二氧化硅材料，其采用以上所述的制备方法制备，所述活性炭负载多孔二氧化硅材料至少包括三级孔道，分别为位于活性炭上的第一孔道、位于二氧化硅与活性炭之间和位于二氧化硅与二氧化硅之间的第二孔道、以及位于二氧化硅上的第三孔道。
17、根据本发明的第三个方面，提供一种活性炭负载多孔二氧化硅材料的应用，所述活性炭负载多孔二氧化硅材料用于吸附去除三氯氢硅中的磷杂质。
18、本发明的活性炭负载多孔二氧化硅材料及其制备方法和应用，与现有技术相比，具有以下有益效果：
19、(1)本方法制得的材料，结合活性炭的大孔结构，并负载多孔二氧化硅，使得材料具有三级(活性炭本身具有的第一孔道、二氧化硅聚集形成的第二孔道、二氧化硅致孔形成的第三孔道)甚至以上孔道，进一步增加了材料的比表面积和活性位点数量，可大大提高可吸附分子大小范围，尤其是对小分子的吸附能力，从而提高材料的吸附效率和吸附容量，增强吸附效果。
20、(2)本方法利用硅烷前驱体在活性炭表面和孔道内水解缩合生成二氧化硅实心球，可在制备二氧化硅的同时直接将制得的二氧化硅原位负载在活性炭表面，步骤少，流程更简单，且二氧化硅与活性炭载体结合力更强，可避免二氧化硅脱落，形成稳固的二级孔道。
21、(3)通过硅烷前驱体的水解缩合实现在活性炭表面和孔道负载二氧化硅，相比常用的以硅酸钠为硅源采用溶胶-凝胶法再煅烧的方法，条件温和且更加简便；并且，水解缩合生成的二氧化硅在负载于活性炭表面或孔道时，由于聚集亦可形成粒子间孔道，从而提高材料比表面积，进而增加材料吸附活性位点，极大地增强材料吸附效果。
22、(4)本方法制得的材料特别适合用于氯硅烷吸附除磷等场合，能够更加彻底地去除三氯氢硅中磷杂质，有效提高多晶硅产品质量，但不限于此，具有巨大的应用前景。
1.一种活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，其特征在于，乙醇与水的体积比为1～3：1。
3.根据权利要求1所述的活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，其特征在于，硅烷前驱体的用量与乙醇和水的总用量的体积比为1：1～24。
4.根据权利要求1所述的活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，硅烷前驱体为正硅酸乙酯、正硅酸甲酯、多聚硅氧烷、甲基三甲氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、3-(氨基丙基)三乙氧基硅烷中的一种或几种的组合物。
5.根据权利要求1所述的活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，活性炭为煤质活性炭、果壳活性炭、木质活性炭、石油类活性炭中的一种或者几种的组合物。
6.根据权利要求1所述的活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，其特征在于，引发剂为氨水，氨水与硅烷前驱体的体积比为1～4：1。
7.根据权利要求1所述的活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，搅拌速度为≥500rpm/min，搅拌时间为2～10h。
8.根据权利要求1所述的活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，其特征在于，保护剂为聚乙烯吡咯烷酮，聚乙烯吡咯烷酮与氨水的质量比为1：1～3。
9.根据权利要求1所述的活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，沸腾回流时间为2～5h。
10.根据权利要求1所述的活性炭负载多孔二氧化硅材料的制备方法，致孔剂为氢氧化钠溶液，氢氧化钠溶液的浓度为1～3mol/l，氢氧化钠溶液与氨水的体积比为1～8：1，搅拌刻蚀时间为1～3h。
11.一种活性炭负载多孔二氧化硅材料，其特征在于，采用权利要求1-10任一项所述的制备方法制备，所述活性炭负载多孔二氧化硅材料至少包括三级孔道，分别为位于活性炭上的第一孔道、位于二氧化硅与活性炭之间和位于二氧化硅与二氧化硅之间的第二孔道、以及位于二氧化硅上的第三孔道。
12.一种权利要求11所述活性炭负载多孔二氧化硅材料的应用，其特征在于，所述活性炭负载多孔二氧化硅材料用于吸附去除三氯氢硅中的磷杂质。
