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硅酸鋰材料的制備及其新應用

硅酸鋰屬于硅酸鹽材料,所謂硅酸鹽主要是指由Si、O及其它元素(如Al、Ca、K、Na、Li等)組合而成的化合物。 硅酸鹽結構中一般都含有硅氧四面體結構,這些四面體以不同的方式連接(如單鏈狀、雙鏈、架狀或島狀)形成不同結構的硅酸鹽物質。硅酸鋰是由金屬鋰和硅酸反應而生成的一系列化合物,主要分為一硅酸鋰(Li8SiO6、Li4SiO4、Li2SiO3)、二硅酸鋰(Li6Si2O7、Li2Si2O5)和五硅酸鋰(Li2Si5O11)。除此之外,多硅酸鋰的水溶液也叫鋰水玻璃,也簡稱為硅酸鋰。硅酸鋰材料具有很多優異性能,如良好的氚溶解性、機械性能、物理化學穩定性,以及與結構材料的兼容性等,因此用途廣泛。如;作為涂料基料,可用于船舶、海上工程以及建筑材料涂料等;作為表面處理劑,可使用于工藝品的保光、裝飾品、收音機、塑料薄膜等;作為粘合劑,可用于石棉、玻璃、電視熒光粉、木材和汽車離合器等。特別值得注意的是:近年來,硅酸鋰材料在新能源、環保等領域方面具有潛在的應用前景,如:可用在鋰離子電池材料、CO2 吸附材料,以及核增值反應堆材料等,受到更加廣泛的關注。在這些新的應用中,Li4SiO4、Li2SiO3是研究最多的兩種。目前,美國、日本在硅酸鋰的研究和制造技術領域處于國際較好地位,而我國在這方面的工作才剛剛起步。


溶膠-凝膠法是一種常見的液相合成粉體的方法,這種方法具有很多優點, 如反應物可以在分子水平上均勻混合、反應溫度較低、反應容易進行等。因此在硅酸鋰粉體的制備中也經常采用。人們發現,在制備硅酸鋰粉體時,選擇適當的原料非常重要。研究發現了溶膠-凝膠法合成硅酸鋰材料。以正硅酸乙酯為硅源,氫氧化鋰和乙醇鋰為鋰源,按照不同的Li/Si比合成硅酸鋰粉體,結果發現:當采用乙醇鋰為鋰源時,Li/Si=2時,產物中含有94%的Li2SiO3和6%的Li2Si2O5 相;而氫氧化鋰為鋰源時,當 Li/Si=2時產物中也僅有55%的Li2SiO3,并未得到純的Li2SiO3相。研究發現以碳酸鋰和TEOS為原料,用溶膠-凝膠法在 650~700℃下分別合成了純的Li2SiO3、Li2Si2O5和Li4SiO4粉體。利用TEOS和乙醇鋰為原料,并以醇水混合液為溶劑,在40℃條件下用溶膠-凝膠法合成出純的粒徑僅為5nm~10nm的Li2SiO3粉體。結果表明:在40℃時,所得的納米Li2S iO3粉體的熱穩定性很好,溫度升高到850℃也未發生相變。


雖然硅酸鋰在傳統領域的應用已比較廣泛, 但目前人們對硅酸鋰的制備技術、性能研究都還十分有限,遠遠不能滿足新能源、環保等方面的需求。隨著人們對能源危機、溫室效應等“世紀問題”的關注度不斷提高,硅酸鋰材料在未來幾年將會有較大的發展。

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