四氯化硅氢化工艺中催化剂的制备与研究

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多晶硅生产过程中会产生一定量的副产物SiCl4,随着市场的不断扩大,SiCl4的产生量也是不断增长,为了减少因SiCl4的产生而给光伏产业带来的负面影响,降低多晶硅生产过程中的运行成本,研究SiCl4行之有效的处理方法具有非同一般的意义。  降低SiCl4产量的主要技术是氢化反应技术,SiCl4氢化技术主要包括“热氢化技术”和“冷氢化技术”。冷氢化技术耗能低、操作控制性强,安全稳定性高,是国内多晶硅工艺普遍使用的方法。SiCl4冷氢化技术在不使用催化剂的情况下,转化为SiHCl3的效率很低,为了提高转化率,则需添加催化剂。  本文主要研究的催化剂为铜基催化剂、镍基催化剂、铁基催化剂、钴、钼基催化剂等。分别从催化剂的制备、活性评价、SiCl4氢化工艺的机理研究、催化剂对SiCl4氢化工艺的作用,以及氢化工艺参数的确定等方面进行分析和研究。通过对这几种催化剂的制备和检测,得出:镍基催化剂在整个反应过程稳定性高,铜基催化剂在使用后会出现一定的烧结现象;在温度低于500℃时,铁基催化剂小孔的孔道会逐渐消失,高于500℃时因结构中的水快速脱去,导致小孔逐渐破坏变成大孔;钼、钴基催化剂则是在高于680℃的情况下才能发挥最佳的作用。  通过对SiCl4氢化工艺反应机理的研究,可以看出具有较高能量的氯化铜晶体会吸附SiCl4分子中的一个氯离子,使得硅氯键拉长,直至断裂。SiCl4因这一变化成为三氯硅自由基,三氯硅自由基又把氢分子中的一个氢原子夺取后生成SiHCl3和一个游离的氢离子。氢离子和氯化铜吸附的氯离子碰撞合成氯化氢分子,合成的氯化氢分子会从氯化铜表面脱附下来。  SiCl4氢化反应工艺的较好条件为压力25atm、温度550℃、原料比n(H2):n(SiCl4)为4,将四种催化剂加入反应中,得出在对SiCl4氢化转化率的影响中,铜基催化剂最高,为25.8%,镍基催化剂次之,铁基和钴、钼基则很低。将催化剂铜和镍应用于大试设备中,连续生产一个月,发现:铜基催化剂的转化率均值在22.54%,镍基催化剂的转化率均值在18.54%,相对来说铜基催化剂的转化率较高,铜基催化剂可作为SiCl4综合回收利用的重要选择。
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