活性多孔硅的优越性能和应用前景

McCord等发现浸入硝酸的多孔硅能够发生剧烈放热反应，此后，多孔硅开始被视作含能材料［MCC 92］。硅作为可燃剂，与氧源结合时可变为高能材料。除了在空气和O2中发生热氧化之外，液态O2、硝酸、硫和强氧化性盐都能使多孔硅快速氧化并且可能引发爆炸［KOV 01，MIK 02］（图4.25）。

图4.25　纳米多孔硅与氧化剂NaClO4发生反应［CUR 09］（版权2009，IEEE）

此种特性使多孔硅有望用作气囊引发器的组件［HOF 06］。

在含有氟化物（如HF）和H2O2的溶液中电化学蚀刻Si可制备多孔硅。通过调节氟化物浓度、电流密度、持续时间和原材料等蚀刻参数，可以使多孔硅层的孔隙率和结构尺寸在2～1 000 nm范围内可调。电偶腐蚀技术也可用于制备多孔硅，将直接沉积有贵金属如铂或金的Si作为负极，单质Si作为正极，构成原电池蚀刻正极Si，孔隙率可达83%。然后将液体氧化剂如Ca（ClO4）2、KClO4、NaClO4或硫注入纳米孔中。纳米孔在多孔硅中分布较为均匀，嵌入的氧化剂和硅结合紧密。为了使Si和O2结合更加紧密，也可以通过气相沉积法在多孔硅上填充氧化剂。多孔硅SEM图像如图4.26所示。

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图4.26　多孔硅SEM图像［CUR 09］（版权2009，IEEE）

（a）俯视图；（b）横断面图

Plessis将多孔材料结构模型应用于孔隙率和孔径的质量分析表征，提出了用于评价能量反应强度的品质因数，他认为孔径约为3.5 nm时多孔硅的能量释放率最大［PLE 07］。

经过系统研究多孔硅与NaClO4之间的反应后发现，O2不充足时，该反应的反应热约为10 kJ／g；O2充足时反应热为27 kJ／g，接近NaClO4完全氧化Si的反应热理论值（33 kJ／g），远高于高氯酸锆钾氧化Si的反应热（6.3 kJ／g）。Becker等测量出了孔隙内注入高氯酸钠（NaClO4）、孔尺度为2.4～2.5 nm多孔硅的火焰传播速率，约为3 050 m／s［BEC 11］。同时发现多孔硅的活化能和氧化反应可以通过调控SiO2层厚度来改变。

除此以外，活性多孔硅相比其他可燃剂／氧化剂纳米粉末混合物的一个显著优点是它可以单片集成在硅基片上，这使其能够更好地适应微系统加工处理技术。

目前，各方均致力于控制反应动力学方面的研究，这也的确是非常有趣的课题。