Способ получения нано- и микроструктурных порошков и/или волокон кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния



Способ получения нано- и микроструктурных порошков и/или волокон кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния
Способ получения нано- и микроструктурных порошков и/или волокон кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния
Способ получения нано- и микроструктурных порошков и/или волокон кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния
Способ получения нано- и микроструктурных порошков и/или волокон кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния

 

C25B1 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2486290:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт высокотемпературной электрохимии Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к области металлургии неметаллов, а именно к производству электролитического кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния в виде нано- и микроструктурных порошков и/или волокон. Способ включает электролитическое растворение по меньшей мере одного выполненного из кремния анода в расплав смеси, содержащей в мас.%: 0÷70 CsCl, 10÷60 KCl, 10÷45 NaCl, в электролизере под инертной атмосферой, в интервале температур от 600 до 700°С при катодной плотности тока от 0,3 мА/см2 до 100 мА/см2 с выделением на катоде щелочных металлов и восстановлением соединений кремния в объеме расплава. Технический результат - получение электролитического кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния в виде нано- и микроструктурных порошков и/или волокон с высокой удельной поверхностью. 1 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии неметаллов, а именно к производству электролитического кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния в виде нано- и микроструктурных порошков и/или волокон, пригодных для использования в порошковой металлургии, литиевых химических источниках тока, преобразователях солнечной энергии, фотоэлектрических устройствах, тензодатчиках, термоэлектрических преобразователях, датчиках температуры, автоэмиссионной электронике, композиционных материалах и т.д. При этом более развитая по сравнению с электролитическими кристаллическими Si осадками удельная поверхность рентгеноаморфного кремния способствует ускорению кинетики взаимодействия кремния, например, с литием, что предпочтительно при использовании в анодах литиевых химических источников тока и других процессах, требующих снижения кинетических затруднений.

Известен способ получения нано- и микроструктурного кремния (RU №2399698, опубл. 20.09.2010 г., Бюл. №26) [1] путем электролитического рафинирования материала, содержащего кремний. Электролиз ведут в расплаве, содержащем в мас.%: до 65 CsCl, 15-50 KCl, 5-50 KF, 10-60 K2SiF6 при температуре 550-750° с использованием в качестве анода материала, содержащего кремний при плотности тока от 0,005 до 1,5 А/см2 с выделением электролитического кремния на поверхности катода. Известный способ характеризуется использованием хлоридно-фторидного электролита, при этом отмывка электролитического порошка кремния, особенно мелкодисперсного, от хлоридно-фторидных солей затруднена, часть электролитического порошка кремния, как правило наиболее мелкодисперсная, неизбежно теряется. Известным способом получают электролитический кремний в виде порошков кристаллической структуры, удельная поверхность которых, как показали исследования, находится в пределах от 1 до 25 м2/г. Рентгеноаморфные порошки кремния этим способом получить не удалось.

Известно получение пленок аморфного кремния в процессе тлеющего разряда в силане, или в галогенированных формах силана (R.C. Chittick. в Journal of the Electrochemical Society, Vol.116, №.1, p.77-81) [2]. Другой процесс описан в (W.Paul, в Solid State Communications, Vol.20, p.969, 1976) [3], где слой аморфного кремния получают распылением в присутствии водорода. Процессы [2, 3] значительно дороже электролиза, т.к. требуют значительных затрат на оборудование и использование сложных технологий вакуумного метода осаждения тонких пленок. Полученный электролизом неводного раствора соединений кремния в жидких апротонных растворителях (E.R.Bucker Pat. US №4192720, 1980 г.) [4] аморфный кремний всегда насыщен водородом, что отражается на его физико-химических свойствах.

Задача настоящего изобретения заключается в создании технологичного электролитического способа, позволяющего получать как кристаллические, так и рентгеноаморфные нано- и микроструктурные порошки и/или волокна кремния высокой чистоты. Для решения этой задачи наиболее близким к заявляемому изобретению является известный электролитический способ получения нано- и микроструктурных порошков кремния по RU №2399698 [1].

Для решения поставленной задачи способ получения нано- и микроструктурных порошков и/или волокон кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния характеризуется электролитическим растворением по меньшей мере одного выполненного из кремния анода в расплаве смеси, содержащей в масс.%: (0÷70) CsCl, (10÷60) KCl, (10÷45) NaCl, под инертной атмосферой, в интервале температур от 600 до 700°С при катодной плотности тока от 0,3 мА/см2 до 100 мА/см2 с выделением на катоде щелочных металлов и восстановлением соединений кремния в объеме электролита.

В предлагаемом способе щелочной металл растворяется в расплаве солей и взаимодействует с соединениями кремния, находящимися в объеме электролита, восстанавливая их до элементарного кремния. Электролитическое выделение кремния происходит не за счет разряда ионов на поверхности электрода, как в способе по RU №2399698, а за счет восстановления растворенным щелочным металлом кремнийсодержащих ионов в объеме электролита. На поверхности электрода число центров кристаллизации ограничено, поэтому порошки получаются более крупными, чем в объеме электролита. Для предотвращения выделения кремния на поверхности катода в начальный момент электролиза исходную концентрацию кремнийсодержащих ионов в расплаве не задают.

Микроструктурные осадки рентгеноаморфного кремния, получаемые по этому способу, имеют развитую удельную поверхность от 30 до 136 м2/г, которая позволяет значительно облегчить кинетику взаимодействия кремния с различными химическими элементами и соединениями, а значит, расширяет диапазон возможных применений электролитического кремния.

Использование хлоридного электролита значительно облегчает отмывку электролитического порошка кремния от остатков электролита, снижая потери электролитического кремния на стадии отмывки, особенно его мелкодисперсной фракции. Кроме того, используемые в способе хлориды щелочных металлов малогигроскопичны, и их сушка перед электролизом требует меньше энергозатрат по сравнению с фторидами щелочных металлов.

Новый технический результат, достигаемый заявленным способом, заключается в получении электролитического кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния в виде нано- и микроструктурных порошков и/или волокон с высокой удельной поверхностью.

Для реализации заявленного способа осуществляют электрохимическое растворение по меньшей мере одного анода, выполненного из кремния, процесс ведут в расплаве смеси, содержащей в масс.%: (0÷70) CsCl, (10÷60) KCl, (10÷45) NaCl в интервале температур от 600 до 700°С, при катодной плотности тока от 0,3 мА/см2 до 100 мА/см2 с выделением на катоде щелочных металлов и восстановлением соединений кремния в объеме электролита. Происходит восстановление соединений кремния в объеме электролита, выделение щелочных металлов или их смесей на катоде из железа (никеля или нержавеющей стали) и отделение полученного порошка кремния, диспергированного в расплаве, от электролита с последующей сепарацией его на фракции. В качестве анодного материала можно использовать металлургический кремний, отходы кремния марок «солнечный» и «полупроводниковый». В электролизер загружают предварительно осушенные соли. Ванну медленно нагревают под слабым вакуумом до 200°С, затем заполняют газовое пространство аргоном высокой чистоты и доводят ванну до плавления. Процесс ведут в интервале температур от 600 до 700°С. Катодом может служить стакан - контейнер для соли. В качестве материала катода можно использовать стенку электролизера из нержавеющей стали или никеля, или железа, или другого металла, слабо взаимодействующего с щелочным металлом в рабочем диапазоне температур. Анод в виде бруска или пластины из кремния помещают по центру ванны. Анод может быть выполнен в виде корзины из высокочистого углеродного материала с кусками кремния, помещенными в ней. Анодный материал (Si различных марок) может быть помещен в корзину из чистого углеродного материала или никеля. Для растворения анодного материала и выделения щелочного металла на катоде через ванну пропускают постоянный ток. Изначально концентрацию растворенного в расплаве кремния не задают. Образующийся на поверхности катода щелочной металл растворяется в электролите, вступая во взаимодействие с кремнийсодержащими ионами не на поверхности электрода, а в объеме электролита. Кремнийсодержащие ионы образуются на аноде при прохождении постоянного тока и растворяются в электролите. Восстановление соединений кремния происходит в объеме электролита. Элементарный кремний в виде мелкодисперсного порошка диспергируется в объеме расплава соли. После окончания процесса остаток анода извлекают из ванны. Электролизер охлаждают и извлекают тигель с застывшим электролитом и диспергированным в нем порошком кремния.

Твердый электролит с порошком кремния отмывают от электролита раствором соляной кислоты и дистиллированной водой. Раствор солей отправляют на очистку, регенерацию, и полученные соли возвращают в голову процесса. Во время отмывки порошков Si от электролита проводят седиментационную фракционную классификацию порошка кремния. Получен кремний с высокой удельной поверхностью от 30 до 140 м2/г в виде волокон диаметром от 100 до 500 нм, в виде чешуек, дендритов и т.п. В таблице 1 приведены условия получения мелкодисперсных осадков кремния с высокой удельной поверхностью в расплаве, мас.%: NaCl(16.4)-KCl(15.6)-CsCl(68), а также характеристики осадков.

Из данных таблицы видно, что заявленный способ позволяет получать фракции как электролитического кристаллического кремния, так и электролитического рентгеноаморфного кремния, причем как совместно, так и раздельно. При этом обеспечиваются низкие удельные энергозатраты на производство единицы массы порошка и безотходное производство кремния высокой чистоты.

Способ получения нано- и микроструктурных порошков и/или волокон кристаллического и/или рентгеноаморфного кремния, включающий электролитическое растворение по меньшей мере одного выполненного из кремния анода в расплаве смеси, содержащей, мас.%: 0÷70 CsCl, 10÷60 KCl, 10÷45 NaCl, в электролизере под инертной атмосферой, в интервале температур от 600 до 700°С при катодной плотности тока от 0,3 мА/см2 до 100 мА/см2 с выделением на катоде щелочных металлов и восстановлением соединений кремния в объеме расплава.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения 2,4-динитро- или 2,4,6-тринитробензойных кислот, которые находят применение в качестве полупродуктов в синтезе биологически активных веществ, исходных соединений в производстве красителей и ароматических конденсационных полимеров.

Изобретение относится к способу получения диарилкарбоната и переработке, по меньшей мере, одной части образованного при этом раствора, содержащего хлорид щелочных металлов, в находящемся ниже по технологической цепочке электролизе хлорида щелочных металлов, включающему следующие стадии: a) получение фосгена взаимодействием хлора с монооксидом углерода, b) взаимодействие фосгена, образованного согласно стадии a), c, по меньшей мере, одним монофенолом в присутствии основания, при необходимости, основного катализатора до диарилкарбоната и раствора, содержащего хлорид щелочных металлов, c) отделение содержащей образованный на стадии b) диарилкарбонат органической фазы и, по меньшей мере, одноразовая промывка содержащей диарилкарбонат органической фазы, d) отделение раствора, содержащего хлорид щелочных металлов, оставшегося согласно стадии с), от остатков растворителя и, при необходимости, остатков катализатора путем отпаривания раствора с водяным паром и обработкой адсорбентами, e) электрохимическое окисление, по меньшей мере, одной части раствора, содержащего хлорид щелочных металлов со стадии d) с образованием хлора, щелочи и, при необходимости, водорода, где при отделении d) раствора перед обработкой адсорбентами значение рН раствора устанавливают меньше или равно 8 и f) по меньшей мере, одну часть полученного согласно стадии e) хлора возвращают на получение фосгена согласно стадии a) и/или g) по меньшей мере, одну часть полученного согласно стадии e) раствора щелочи возвращают на получение диарилкарбоната согласно стадии b).

Изобретение относится к способу получения диарилкарбоната и переработке, по меньшей мере, одной части образованного при этом раствора, содержащего хлорид щелочных металлов, в находящемся ниже по технологической цепочке электролизе хлорида щелочных металлов, включающему следующие стадии: a) получение фосгена взаимодействием хлора с монооксидом углерода, b) взаимодействие фосгена, образованного согласно стадии a), c, по меньшей мере, одним монофенолом в присутствии основания, при необходимости, основного катализатора до диарилкарбоната и раствора, содержащего хлорид щелочных металлов, c) отделение содержащей образованный на стадии b) диарилкарбонат органической фазы и, по меньшей мере, одноразовая промывка содержащей диарилкарбонат органической фазы, d) отделение раствора, содержащего хлорид щелочных металлов, оставшегося согласно стадии с), от остатков растворителя и, при необходимости, остатков катализатора путем отпаривания раствора с водяным паром и обработкой адсорбентами, e) электрохимическое окисление, по меньшей мере, одной части раствора, содержащего хлорид щелочных металлов со стадии d) с образованием хлора, щелочи и, при необходимости, водорода, где при отделении d) раствора перед обработкой адсорбентами значение рН раствора устанавливают меньше или равно 8 и f) по меньшей мере, одну часть полученного согласно стадии e) хлора возвращают на получение фосгена согласно стадии a) и/или g) по меньшей мере, одну часть полученного согласно стадии e) раствора щелочи возвращают на получение диарилкарбоната согласно стадии b).

Изобретение относится к способу получения диарилкарбоната и переработке, по меньшей мере, одной части образованного при этом раствора, содержащего хлорид щелочных металлов, в находящемся ниже по технологической цепочке электролизе хлорида щелочных металлов, включающему следующие стадии: a) получение фосгена взаимодействием хлора с монооксидом углерода, b) взаимодействие фосгена, образованного согласно стадии a), c, по меньшей мере, одним монофенолом в присутствии основания, при необходимости, основного катализатора до диарилкарбоната и раствора, содержащего хлорид щелочных металлов, c) отделение содержащей образованный на стадии b) диарилкарбонат органической фазы и, по меньшей мере, одноразовая промывка содержащей диарилкарбонат органической фазы, d) отделение раствора, содержащего хлорид щелочных металлов, оставшегося согласно стадии с), от остатков растворителя и, при необходимости, остатков катализатора путем отпаривания раствора с водяным паром и обработкой адсорбентами, e) электрохимическое окисление, по меньшей мере, одной части раствора, содержащего хлорид щелочных металлов со стадии d) с образованием хлора, щелочи и, при необходимости, водорода, где при отделении d) раствора перед обработкой адсорбентами значение рН раствора устанавливают меньше или равно 8 и f) по меньшей мере, одну часть полученного согласно стадии e) хлора возвращают на получение фосгена согласно стадии a) и/или g) по меньшей мере, одну часть полученного согласно стадии e) раствора щелочи возвращают на получение диарилкарбоната согласно стадии b).

Изобретение относится к устройству для обеспечения опоры электродов в установке для электролиза, причем указанная опора содержит шинопровод, к которому прикреплены электроды, расположенные на обеих сторонах шинопровода и вертикально проходящие ниже шинопровода, а шинопровод и указанные электроды предназначены для погружения, по меньшей мере, частичного в электролит, который выделяет один или большее количество газообразных продуктов коррозионного характера.

Изобретение относится к устройству для обеспечения опоры электродов в установке для электролиза, причем указанная опора содержит шинопровод, к которому прикреплены электроды, расположенные на обеих сторонах шинопровода и вертикально проходящие ниже шинопровода, а шинопровод и указанные электроды предназначены для погружения, по меньшей мере, частичного в электролит, который выделяет один или большее количество газообразных продуктов коррозионного характера.

Изобретение относится к области химии и технологии рения, в частности электрохимическому способу получения метилатов рения, которые могут использоваться как предшественники для получения сплавов рения с другими тугоплавкими металлами, ультрадисперсных (>100 нм) и наноразмерных (<100 нм) порошков функциональных материалов на основе рения (металлического рения, оксидов рения (IV) и (VI)), нашедшие свое применение в реакциях кросс-конденсации и восстановительной дегидратации спиртов с целью получения моторных топлив и/или присадок к ним.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к материалам для газодиффузионных электродов электрохимических источников тока, в том числе для топливных элементов с полимерными протонообменными мембранами, использующихся в качестве высоконадежных, экологически чистых источников тока, например, для резервных устройств бесперебойного питания.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к материалам для газодиффузионных электродов электрохимических источников тока, в том числе для топливных элементов с полимерными протонообменными мембранами, использующихся в качестве высоконадежных, экологически чистых источников тока, например, для резервных устройств бесперебойного питания.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению наноразмерных порошков металлов группы железа. .
Изобретение относится к препарату в порошкообразной форме для регенерации мягких тканей с антибактериальным эффектом. .

Изобретение относится к датчикам вакуума для измерения давления разреженного газа в вакуумных установках различного назначения. .
Изобретение относится к композитному покрытию из металла и углеродных нанотрубок (CNT) и/или фуллерена на металлических лентах или заранее отштампованных металлических лентах, а также к способу получения металлической ленты.

Изобретение относится к способам получения новых форм углерода, а именно к способам получения модификаций углерода с луковичной структурой, содержащих азот, и может быть использовано для изготовления демпфирующих элементов, амортизаторов, пар трения и износостойких деталей микромеханизмов.

Изобретение относится к способу получения покрытого стабилизирующей оболочкой нанокристаллического диоксида церия, который характеризуется антиоксидантной активностью.

Изобретение относится к области полупроводникового материаловедения и может быть использовано для получения отдельных кристаллов и массивов оксида цинка для применения в качестве активных элементов, материала для фотокаталитической очистки сред, пьезоэлектрических датчиков, а также для фундаментальных физических исследований кинетики роста кристаллов.

Изобретение относится к технологии получения оптических поликристаллических материалов, а именно фторидной керамики, имеющей наноразмерную структуру и усовершенствованные оптические, лазерные и генерационные характеристики.

Изобретение относится к технологии получения оптических поликристаллических материалов, а именно фторидной керамики, имеющей наноразмерную структуру и усовершенствованные оптические, лазерные и генерационные характеристики.
Изобретение относится к получению гальванических композиционных покрытий, в частности на основе никеля с дисперсной фазой в виде наноалмазных порошков
Наверх