×
27.06.2013
216.012.50d9

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНО- И МИКРОСТРУКТУРНЫХ ПОРОШКОВ И/ИЛИ ВОЛОКОН КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО И/ИЛИ РЕНТГЕНОАМОРФНОГО КРЕМНИЯ

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: 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/см до 100 мА/см 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.
Основные результаты: 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/см до 100 мА/см с выделением на катоде щелочных металлов и восстановлением соединений кремния в объеме расплава.
Реферат Свернуть Развернуть

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/см до 100 мА/см с выделением на катоде щелочных металлов и восстановлением соединений кремния в объеме расплава.
Источник поступления информации: Роспатент

Показаны записи 1-10 из 99.
10.02.2013
№216.012.24d3

Электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах

Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую с использованием твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах содержит корпус, камеру смешения метана и воздуха, камеру...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474929
Дата охранного документа: 10.02.2013
10.04.2013
№216.012.338a

Способ электролизного борирования стальных изделий в расплаве, содержащем оксид бора

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов и сплавов, в частности к диффузионному борированию стальных изделий в солевом расплаве. Способ электролизного борирования стальных изделий в расплаве, содержащем оксид бора, включает реверсирование постоянного тока. При этом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478737
Дата охранного документа: 10.04.2013
10.07.2013
№216.012.545c

Способ электролитического получения свинца

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению свинца электролитическим способом. Способ включает электролитическое рафинирование свинца в расплаве галогенидов солей с использованием жидкометаллических катода и анода. При этом процесс электролиза ведут с применением одного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002487199
Дата охранного документа: 10.07.2013
10.08.2013
№216.012.5e1a

Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам, предназначенным для анализа газовых сред и металлических расплавов на кислородосодержание. Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах содержит выполненный в виде...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489711
Дата охранного документа: 10.08.2013
20.08.2013
№216.012.619f

Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам для анализа газовых сред. Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях содержит мембрану из протонпроводящего твердого электролита, эталонный и измерительный электроды,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002490623
Дата охранного документа: 20.08.2013
27.08.2013
№216.012.6489

Электрохимический способ получения сплошных слоев кремния

Способ может быть использован в фотонике, полупроводниковой технике, а также для производства солнечных батарей. Сплошные слои кремния получают электролизом гексафторсиликата калия (KSiF) в расплаве следующего состава, мас.%: КСl (15÷50) - KF (5÷50) - (10÷35) KSiF. Электролиз ведут при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491374
Дата охранного документа: 27.08.2013
20.09.2013
№216.012.6a7f

Молекулярный фильтр для извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей

Изобретение относится к химической, нефтехимической, газовой отраслям. Газоплотную керамику со структурой майенита предложено использовать в качестве молекулярного фильтра для селективного извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей. Технический результат: селективное и непрерывное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492914
Дата охранного документа: 20.09.2013
20.10.2013
№216.012.75f2

Твердый электролит на основе оксида церия и церата бария

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердооксидным композитным электролитам, и может быть использовано в средне- и высокотемпературных электрохимических устройствах. Твердый электролит на основе оксида церия и церата бария, допированный самарием, имеет состав, отвечающий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002495854
Дата охранного документа: 20.10.2013
10.12.2013
№216.012.8875

Электрохимический способ получения графена

Изобретение может быть использовано в электрохимических и электрофизических устройствах. Осуществляют анодную гальваностатическую поляризацию титана или циркония с плотностью тока от 0,1 до 3,0 мА·см в расплаве хлоридов щелочных металлов, содержащем от 0,1 до 1,0 мас.% порошка карбида бора при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002500615
Дата охранного документа: 10.12.2013
27.12.2013
№216.012.9256

Нагревательный блок и способ его изготовления

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству монолитных металлокерамических нагревательных элементов электрического, в частности резистивного, нагрева. Нагревательный блок содержит трубу из огнеупорного материала, резистивный металлокерамический нагреватель,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002503155
Дата охранного документа: 27.12.2013
Показаны записи 1-10 из 96.
10.02.2013
№216.012.24d3

Электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах

Изобретение относится к устройствам для прямого преобразования химической энергии топлива в электрическую с использованием твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ). Электрохимический генератор на твердооксидных топливных элементах содержит корпус, камеру смешения метана и воздуха, камеру...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002474929
Дата охранного документа: 10.02.2013
10.04.2013
№216.012.338a

Способ электролизного борирования стальных изделий в расплаве, содержащем оксид бора

Изобретение относится к области химико-термической обработки металлов и сплавов, в частности к диффузионному борированию стальных изделий в солевом расплаве. Способ электролизного борирования стальных изделий в расплаве, содержащем оксид бора, включает реверсирование постоянного тока. При этом...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002478737
Дата охранного документа: 10.04.2013
10.07.2013
№216.012.545c

Способ электролитического получения свинца

Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к получению свинца электролитическим способом. Способ включает электролитическое рафинирование свинца в расплаве галогенидов солей с использованием жидкометаллических катода и анода. При этом процесс электролиза ведут с применением одного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002487199
Дата охранного документа: 10.07.2013
10.08.2013
№216.012.5e1a

Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам, предназначенным для анализа газовых сред и металлических расплавов на кислородосодержание. Твердоэлектролитный датчик для измерения концентрации кислорода в газах и металлических расплавах содержит выполненный в виде...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002489711
Дата охранного документа: 10.08.2013
20.08.2013
№216.012.619f

Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам для анализа газовых сред. Твердоэлектролитный датчик для потенциометрического измерения концентрации водорода в газовых смесях содержит мембрану из протонпроводящего твердого электролита, эталонный и измерительный электроды,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002490623
Дата охранного документа: 20.08.2013
27.08.2013
№216.012.6489

Электрохимический способ получения сплошных слоев кремния

Способ может быть использован в фотонике, полупроводниковой технике, а также для производства солнечных батарей. Сплошные слои кремния получают электролизом гексафторсиликата калия (KSiF) в расплаве следующего состава, мас.%: КСl (15÷50) - KF (5÷50) - (10÷35) KSiF. Электролиз ведут при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002491374
Дата охранного документа: 27.08.2013
20.09.2013
№216.012.6a7f

Молекулярный фильтр для извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей

Изобретение относится к химической, нефтехимической, газовой отраслям. Газоплотную керамику со структурой майенита предложено использовать в качестве молекулярного фильтра для селективного извлечения гелия из гелийсодержащих газовых смесей. Технический результат: селективное и непрерывное...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002492914
Дата охранного документа: 20.09.2013
20.10.2013
№216.012.75f2

Твердый электролит на основе оксида церия и церата бария

Изобретение относится к области электротехники, а именно к твердооксидным композитным электролитам, и может быть использовано в средне- и высокотемпературных электрохимических устройствах. Твердый электролит на основе оксида церия и церата бария, допированный самарием, имеет состав, отвечающий...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002495854
Дата охранного документа: 20.10.2013
10.12.2013
№216.012.8875

Электрохимический способ получения графена

Изобретение может быть использовано в электрохимических и электрофизических устройствах. Осуществляют анодную гальваностатическую поляризацию титана или циркония с плотностью тока от 0,1 до 3,0 мА·см в расплаве хлоридов щелочных металлов, содержащем от 0,1 до 1,0 мас.% порошка карбида бора при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002500615
Дата охранного документа: 10.12.2013
27.12.2013
№216.012.9256

Нагревательный блок и способ его изготовления

Изобретение относится к области электротехники, а именно к производству монолитных металлокерамических нагревательных элементов электрического, в частности резистивного, нагрева. Нагревательный блок содержит трубу из огнеупорного материала, резистивный металлокерамический нагреватель,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002503155
Дата охранного документа: 27.12.2013
+ добавить свой РИД