Электрохимический метод объёмного восстановления Si в распавах солей щелочным металлом

О.В.Чемезов, И.М. Поволоцкий, О.Н. Виноградов-Жабров, Н.М. Поротникова, Ю.П. Зайков
Институт высокотемпературной электрохимии УрО РАН,
г. Екатеринбург

Металлотермия щелочными металлами в расплавах солей позволяет получать осадки кремния со специфической структурой обладающие уникальными физико-химическими свойствами.

Генерацию раствора щелочного металла в расплаве CsCl-NaCl-KCl проводили методом электролиза. Катодом служил стакан-контейнер из никеля. Анодом служил кремний высокой чистоты (99.999999999 мас.%), который помещали по центру ячейки.

Температура расплава варьировали от 500 до 600 ⁰С.

Ионы кремния генерировались в электролите в результате анодного растворения кремниевого электрода. Анодный выход по току в различных экспериментах составил величину от 90 до 100 мас.% , из расчёта на 4-х валентный кремний.

На катоде в это время выделялся щелочной металл, который растворялся в электролите. Два встречных диффузионных потока: ионов кремния с стороны анода и растворенного щелочного металла со стороны катода - встречались в объёме расплава. В результате происходило объемное восстановление ионов кремния с образованием мелкодисперсного порошка кремния. Этот порошок, ввиду малости составляющих его частичек кремния, большей частью находился в объеме расплава солей и оставался там после завершения опыта и замораживания электролита. Хлоридный электролит легко отмывается от частичек кремния водными растворами соляной кислоты. Окончательная промывка осадка кремния проводилась дистиллированной водой.

Отмытые и высушенные осадки кремния всесторонне анализировали. Определение примесей (P, Al, Sb, As, B, K, Fe, Ni, Na, Cu, Mn) проводилось атомно-эмиссионным методом с индуктивно-связанной плазмой на приборе серии iCAP6300 Duo фирмы Thermo Scientific. Определение величины удельной поверхности порошков проводили на приборе Сорби № 4.1. Микрорентгеноспектральный анализ и микрофотографирование образцов проводили на сканирующем электронном микроскопе JMS-5900LV. Рентгенофазовый анализ проводили на установке Rigaku DMAX-2200/pc. Для оценки размеров частиц кремния использовали лазерный анализатор размеров частиц Mastersizer 2000.

Химическая чистота осадков по основному веществу составила 99.9мас.%. Удельная поверхность измеренных осадков кремния варьировала от 33 до 62 м²/г.

Получены осадки кремния ренгенокристаллического и ренгеноаморфного типа.

Ренгеноаморфные осадки получены в виде пластинок коричневого цвета имеющих 3- 10 мм в длину и 1-3 мм в толщину Их структура –это агломерат из волокон кремния, имеющих диаметр от нескольких десятков до сотен нанометров и длину от несколько сотен нанометров до микрона. Такого вида частицы скапливаются на поверхности и в верхней части застывшего плава солей.

Ренгнокристаллические осадки (мелкие кристаллы имеющие размеры от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров) как правило, находятся в придонной части застывшего плава солей.

Ниже приводим, в качестве примеров, данные по структурам осадков кремния.

Рис.1.Кристаллический осадок Рис.2.Ренгеноаморфный осадок кремния кремния

Рис.3.Рентгенограмма Рис.4. Рентгенограмма

кристаллического осадка кремния ренгеноаморфного осадка кремния.

Рис.5. Данные по распределению частиц по размерам

ренгеноаморфного осадка кремния

Назад к списку