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

  • 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.
    259
  • 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.
    168
  • 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.
    169
  • 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.
    311
  • 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.
    149
  • 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.
    283
  • 27/07/2018

    Росийские ученые разработали простой способ диагностики отита

    Российские ученые усовершенствовали подход к исследованию заболеваний среднего уха, например, среднего экссудативного отита — распространенного заболевания, которое сложно диагностировать и лечить. Новый способ диагностики, в котором ученые используют в том числе один из методов томографии, быстр, точен и безопасен.
    181
  • 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.
    148
  • 26/03/2018

    Российские ученые создали чернила для печати «батареек» на одежде

    Химики из России создали особую краску из наночастиц, которой можно печатать своеобразные "электрогенераторы" прямо на одежде, вырабатывающие ток при хождении по улице и других действиях человека, передает пресс-служба Российского научного фонда.
    356
  • 17/03/2017

    Сибирские физики создадут точнейшие атомные часы

    Ученые из Института лазерной физики Сибирского отделения Российской академии наук, Новосибирского государственного университета и из Новосибирского государственного технического университета разработали сверхстабильный лазер для атомных часов, который позволит российским физикам создать устройства для измерения времени, не уступающие в точности западным аналогам, говорится в статье, опубликованной в Journal of Physics: Conf.
    1412