Российские ученые предложили новые катализаторы для нужд солнечной энергетики
03.09.2018
Группа химиков разработала новые
катализаторы, ускоряющие синтез моносилана – исходного сырья для получения
поликремния, который используется в микро- и наноэлектронике, а также солнечной
энергетике. Катализаторы оказались дешевле, экологичнее и эффективнее
существующих аналогов. Исследование поддержано грантом Российского
научного фонда (РНФ). Сообщение о своем исследовании ученые опубликовали в журнале Applied Catalysis B: Environmental.
Поликристаллический
кремний, или поликремний, состоит из множества кристаллитов этого элемента, то
есть находится в состоянии, промежуточном между аморфным и монокристаллическим
кремнием. При массовом производстве его стоимость составляет примерно 20
долларов за килограмм, однако, спрос на него в последние годы стремительно
растет, в основном за счет развития солнечной энергетики. Соответственно,
возрастает потребность в более дешевых и безопасных технологиях его производства.
Около 90%
производства поликремния приходится на так называемый «Сименс-процесс» –
цепочку химических операций, в ходе которых из технического кремния синтезируют
вещество трихлорсилан, а из него водородным восстановлением получают
поликремний. К сожалению, у этого способа есть недостатки: на тонну поликремния
производитель получает 18 тонн высокотоксичного тетрахлорида кремния, а сам
процесс требует высоких температур, порядка 1200 °С, что повышает стоимость
производства.
Все большую
популярность приобретает «Юнион карбайд процесс». Здесь тоже участвует трихлорсилан,
но из него производится соединение кремния с водородом (моносилан), из которого
термическим разложением получают требуемый поликремний. Несмотря на усложнение
процесса, он оказывается намного привлекательнее из-за низкого потребления
энергии, поскольку не требует высокой температуры – всего 80 °С. К тому же моносилан
применяется в различных областях микро- и наноэлектронной промышленности.
Реакция, в
ходе которой получают моносилан, тоже не идеальна: на 1 тонну поликремния
образуется 16 тонн токсичного побочного продукта, а катализаторы загрязняют поликремний
электроактивными примесями. К тому же моносилан производится в такой реакции в
малом количестве: практический выход не превышает 1,2%.
Многие
лаборатории мира пытаются усовершенствовать процесс получения поликремния, но основные
исследования сводятся к модернизации аппаратного исполнения и изменению технологических
параметров, таких как температура и давление. Поэтому авторы нового
исследования задались целью найти более производительные катализаторы и
детально изучить и моделировать реакции. Химики исследовали помещенные для
неподвижности в различные пористые носители ионные жидкости – расплавленные
соли, состоящие из одних ионов.
Такие
катализаторы отличает то, что их структурой и функциональными свойствами,
такими как размеры полимерных частиц катализатора и их каталитическая активность,
легко управлять, внося в их состав различные добавки.
«На конечной
стадии мы можем добавлять в катализатор так называемый органический активный
центр, который и катализирует саму реакцию. Создание таких веществ – это
творческий процесс, в нем ученый-химик выступает в качестве дизайнера, который
на основе проведенных научных исследований «пришивает» к своему катализатору
то, что он считает нужным для получения определенных свойств. Наши исследования
показали, что лучше всего в этой реакции повышает каталитическую активность
добавление в этот центр атомов азота», – рассказал Андрей Воротынцев, руководитель
исследования, старший научный сотрудник Лаборатории мембранных и каталитических
процессов Нижегородского технического университета имени Р.Е. Алексеева.
Изучив целый
спектр катализаторов с различными добавками и структурными характеристиками,
ученые смогли детально установить все элементарные стадии протекания реакций, в
результате которых получается моносилан, и на этой основе создать катализатор,
позволяющий существенно повысить выход моносилана, одновременно снизив выход
побочного продукта – тетрахлорида кремния. Существенно, что новый катализатор
не подвержен отравлению каталитическими ядами и позволяет создавать замкнутые
технологические циклы за счет его легкой регенерации, и, соответственно, его
можно пускать в ход снова и снова.
Кроме того,
применение катализаторов типа SILLPs (Supported Ionic Liquid-Like Phases) помогло
уменьшить состав примесей в моносилане, а низкая температура, при которой
протекает реакция (менее 200 °С), существенно удешевила процесс синтеза
моносилана. Иначе говоря, новый катализатор позволил получать дешевый и
высокочистый поликристаллический кремний, синтез которого может протекать в
условиях промышленной и технологической безопасности.
Исследование
проводилось совместно с учеными из Института проблем машиностроения РАН и
Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского.
![(jpg, 54 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=15909b81-a8f9-4495-bcdc-fd205a3bcf7b)
Испытания
каталитического реактора с индукционным нагревом. Источник: Андрей Воротынцев.
![(jpg, 82 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=de83d861-bf0f-4f67-8d6d-fbae9ced5172)
Микрофотография
внутреннего строения полимерной матрицы (500-кратное увеличение). Источник:
Андрей Воротынцев.
![(jpg, 63 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=859bc943-a475-41ba-8994-dac267e94246)
Микрофотография
иммобилизированного катализатора (500-кратное увеличение). Источник: Андрей
Воротынцев.