【摘 要】
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目前,世界上多晶硅生产工艺主要利用改良西门子法,该法在生产多晶硅的同时副产大量四氯化硅（Si Cl4,STC）。对STC进行回收利用,不仅利于环境保护而且避免资源浪费。将STC进行加氢生产三氯氢硅（Si HCl3,TCS）并进一步用于生产多晶硅,可实现闭环生产和清洁利用。STC氢化主要有冷氢化、热氢化和等离子氢化等3种工艺,其中冷氢化反应由于其反应温度低,能耗更低被广泛关注。近年来,STC冷氢化反
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目前,世界上多晶硅生产工艺主要利用改良西门子法,该法在生产多晶硅的同时副产大量四氯化硅（Si Cl4,STC）。对STC进行回收利用,不仅利于环境保护而且避免资源浪费。将STC进行加氢生产三氯氢硅（Si HCl3,TCS）并进一步用于生产多晶硅,可实现闭环生产和清洁利用。STC氢化主要有冷氢化、热氢化和等离子氢化等3种工艺,其中冷氢化反应由于其反应温度低,能耗更低被广泛关注。近年来,STC冷氢化反应的催化反应研究进展很快,目前已经获得具有较高催化活性和选择性的催化剂,但由于反应中涉及较多副产物及中间产物,反应机理尚不明确,这是开发更高效催化剂及改进反应工艺的关键。本文采用密度泛函理论计算方法研究了STC与氢气反应的具体路径及探究具体活性组分,考虑了STC氢化所涉及反应的能量变化、活化能垒,系统研究了Cu3Si催化剂中Cu空位数量对四氯化硅冷氢化反应的影响、HCl与不同表面上Si原子反应生成TCS的反应路径。得到主要结论如下:（1）能量计算结果表明四氯化硅氢化合成三氯氢硅、二氯氢硅、一氯氢硅和硅烷的反应均为吸热反应,需要外界提供能量才能持续进行。四氯化硅的Si-Cl键键能比氢气中H-H键键能低,链式反应由断裂Si-Cl键引发。生成三氯氢硅的能垒比后续生成二氯氢硅、一氯氢硅和硅烷的能垒低,在原料充足的情况下三氯氢硅将会是主产物。（2）对于完整的Cu3Si（001）表面,STC与H2的直接反应路径在动力学上更有利。对于存在Cu空位的Cu3Si（001）表面,当表面存在单个Cu空位时,此时催化剂与STC存在较强的相互作用,这直接促进了STC的直接解离路径。当表面Cu空位进一步增加为两个时,催化剂与STC的相互作用更加强烈,这进一步降低了STC直接解离路径的能垒。因为STC的直接解离路径是速控步,Cu3Si催化剂中Cu空位数量的增加明显提高了反应的催化活性。（3）我们主要探究了HCl与不同Si原子反应生成TCS的反应路径,经过计算后发现,Si原子在反应中直接从表面脱附是难以发生的,HCl在表面吸附后与Si反应生成大分子产物脱离表面的路径是更可靠的,在Si（100）-c（4×2）表面,速率控制步骤是Si H2Cl2的生成,反应能垒为340.13 k J mol-1。在完整Cu3Si催化剂上速率控制步骤同样是Si H2Cl2的生成,反应能垒为221.60 k J mol-1。而在单Cu空位Cu3Si催化剂上由于第二个HCl的吸附增强,明显的降低了Si H2Cl2的生成步骤的能垒,在此催化剂上速率控制步骤是气相中Si HCl3的生成反应,能垒为160.10 k J mol-1。结果表明含Cu空位的Cu3Si催化剂在此反应中表现出良好的催化性能。
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