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.

Похожие новости

  • 17/08/2018

    Двухслойная мембрана позволит получить особо чистый кислород

    ​Российские ученые разработали новую двухслойную мембрану для получения особо чистого кислорода из воздуха. Ее можно использовать в микро- и наноэлектронике, фармацевтической промышленности и биотехнологии.
    245
  • 28/03/2018

    Российские химики раскрыли механизм важнейшей для промышленности реакции

    ​Механизм важнейшей окислительной реакции Байера-Виллигера, известной больше ста лет, раскрыт международной группой ученых. Реакция является универсальным путем получения эфиров органических кислот - базовых соединений для химической промышленности.
    371
  • 23/05/2018

    Российские химики синтезировали управляемый молекулярный тормоз

    ​Российские химики из Института физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина РАН создали молекулярную машину, две части которой могут свободно вращаться относительно друг друга, а при изменении кислотности среды это вращение тормозится.
    221
  • 27/09/2018

    Новые применения целлюлозы и наноцеллюлозы

    ​Целлюлоза - самый распространенный, нетоксичный, биоразлагаемый, возобновляемый природный биополимер на Земле. Она давно и широко используется для производства материи, бумаги, пороха, наполнителя, в том числе и таблеток.
    210
  • 05/05/2018

    Российские химики нарушили симметрию ради создания противогрибковых препаратов

     Российские ученые разработали новое соединение, ускоряющее химические реакции, которое можно использовать для синтеза лекарств. Благодаря несимметричной структуре оно позволяет соединять в единую систему две молекулы, точно контролируя их расположение в пространстве.
    346
  • 15/08/2018

    Описаны механизмы увеличения энергии электронов в химических реакциях

    ​Ученые описали, как можно увеличить энергию электронов в ходе химических реакций. Принципы этого процесса используются в химическом синтезе, однако детально их ранее не исследовали. Работа выполнена при поддержке гранта РНФ и опубликована в журнале Angewandte Chemie.
    262
  • 18/06/2018

    Сибирские ученые превратили сельхозотходы в уникальную наноцеллюлозу

    Сотрудники Института проблем химико-энергетических технологий Сибирского отделения Российской академии наук (ИПХЭТ СО РАН) разработали новый дешевый способ получить важный для промышленности материал – бактериальную наноцеллюлозу.
    429
  • 06/11/2018

    Российские физики разработали новую микроволновую антенну

    ​Ученые из Университета ИТМО совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН предложили новую микроволновую антенну, которая создает однородное магнитное поле в большом объеме и позволяет синхронизировать электронные спины группы дефектов в структуре наноалмаза.
    92
  • 23/07/2018

    Российские физики создали суперлюминесцентный световод для космических аппаратов

    Оптоволокно с добавкой висмута может стать мощным суперлюминесцентным источником излучения для инструментов и приборов, работающих в космосе.   Исследователи из Научного центра волоконной оптики (НЦВО) РАН и Института химии высокочистых веществ им.
    222
  • 25/09/2018

    Физики измерили намагниченность диэлектрика за одну триллионную долю секунды

    Коллектив ученых из России, Германии, Швеции и Японии разработал способ изменить намагниченность диэлектрика, воздействуя на него сверхкороткими лазерными импульсами. Ученым удалось добиться времени изменения намагниченности в одну пикосекунду – это в 100 раз меньше, чем предполагалось ранее.
    158