[發(fā)明專利]一種以廢棄物微硅粉為原料制備高純硅的方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010049635.6
• 申請(qǐng)日: 2020-01-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111196604A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-05-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 郭玉忠;黃永成;黃瑞安
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 昆明理工大學(xué)
• 主分類號(hào): C01B33/039
• 分類號(hào): C01B33/039
• 代理公司: 昆明合盛知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 53210
• 代理人: 龍燕

本發(fā)明公開(kāi)一種以廢棄物微硅粉為原料制備高純硅的方法，屬于硅材料制備技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明所述方法利用硅冶金工業(yè)煙塵廢棄物微硅粉為原料，經(jīng)酸蝕預(yù)處理后與鎂粉進(jìn)行球磨混料，自然干燥后得Mg@SiO₂?NPs包覆型反應(yīng)物料；將處理后的樣品置于密封石墨坩堝內(nèi)，轉(zhuǎn)移至保護(hù)性氣體的管式爐中，保溫一段時(shí)間后，經(jīng)酸蝕、水洗，干燥后得多孔硅粉末。將多孔硅粉末分散在混合酸蝕液中，水浴加熱后真空抽濾，反復(fù)洗滌至濾液為中性后，烘干得高純多孔晶硅。本發(fā)明通過(guò)對(duì)微硅粉的簡(jiǎn)單預(yù)處理后，與鎂粉球磨混料，經(jīng)鎂熱反應(yīng)實(shí)現(xiàn)了較高的還原程度，同時(shí)經(jīng)兩道酸蝕處理后，制備得了高純多孔晶硅，工藝簡(jiǎn)單，成本低廉，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微硅粉回收的高附加值利用。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種以廢棄物微硅粉為原料制備高純硅的方法，屬于硅材料制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著化石燃料的大規(guī)模使用所導(dǎo)致的能源短缺和污染問(wèn)題，已催生了人類對(duì)硅基太陽(yáng)能電池的迫切需求。高純多晶硅作為太陽(yáng)能電板的主要源材料，對(duì)其產(chǎn)能的需求在不斷攀升。而多晶硅生產(chǎn)主要靠成熟的改良西門(mén)子法來(lái)獲取，然而它需要在1100℃的高溫下以有毒物質(zhì)SiCl₄、SiHCl₃為原料制備，能耗高且工藝設(shè)備復(fù)雜；冶金法是被認(rèn)為最有希望替代西門(mén)子法的工藝，但其須經(jīng)多種工藝組合、多次重復(fù)操作才能得以實(shí)現(xiàn)，其能耗、工藝成本并未顯著降低。

鎂熱還原法是以金屬鎂為還原劑，利用反應(yīng)過(guò)程中本身所釋放的巨大熱量，為反應(yīng)節(jié)約了大量能耗，因此在較低溫度(648℃左右)下便可實(shí)現(xiàn)SiO₂向晶體Si的轉(zhuǎn)變。且所用還原劑金屬M(fèi)g可通過(guò)電解副產(chǎn)物MgCl₂實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用不僅綠色節(jié)能還降低了多晶硅的生產(chǎn)成本；然而，鎂熱還原法存在Si轉(zhuǎn)化率低(＜50％)，其副產(chǎn)物Mg₂SiO₄很難被去除等問(wèn)題，為高純晶硅的生產(chǎn)增添了極為不利的因素。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于公開(kāi)一種以廢棄物微硅粉為原料制備高純硅的方法，利用微硅粉亞微米初級(jí)粒子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，通過(guò)將其與鎂粉球磨混合形成包覆型Mg@SiO₂-NPs結(jié)構(gòu)，極大提高了鎂熱還原反應(yīng)程度，實(shí)現(xiàn)了高的硅收率；再經(jīng)兩道酸蝕作用后制備得了高純晶硅。本發(fā)明工藝過(guò)程簡(jiǎn)單、能耗成本低、可推廣性強(qiáng)，具體包括如下步驟：

(1)微硅粉經(jīng)焙燒后，分散至酸液(3～5mol/L的鹽酸溶液)中，水浴加熱至60～90℃下，動(dòng)力攪拌1～4小時(shí)后經(jīng)真空抽濾，抽濾的同時(shí)以去離子水和酒精反復(fù)洗滌，干燥后備用。

(2)將經(jīng)過(guò)步驟(1)預(yù)處理后的微硅粉與鎂粉球磨混勻(球磨介質(zhì)為常用介質(zhì)，如正戊烷、酒精或丙酮)，樣品經(jīng)自然干燥后得Mg@SiO₂-NPs包覆型反應(yīng)物料。

(3)將經(jīng)步驟(2)處理后的樣品置于密封石墨坩堝內(nèi)，轉(zhuǎn)移至保護(hù)性氣體的管式爐中，進(jìn)行鎂熱還原反應(yīng)，反應(yīng)完成以后樣品經(jīng)酸蝕、水洗，干燥后得多孔硅粉末。

(4)將步驟(3)得到的樣品分散在混合酸蝕液中，水浴加熱至50～90℃并動(dòng)力攪拌1～5小時(shí)后，經(jīng)真空抽濾，同時(shí)以去離子水、酒精反復(fù)洗滌至濾液為中性后，烘干得到高純多孔晶硅。

優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(1)中的焙燒溫度為700～1100℃，保溫時(shí)間為2～10小時(shí)。

優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(2)中微硅粉與鎂粉的質(zhì)量比為1:(0.8～1.4)。

優(yōu)選的，本發(fā)明步驟(2)中球磨轉(zhuǎn)速為100～300轉(zhuǎn)/分，球磨時(shí)間為1～12小時(shí)，球料比為1:(1～10)。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述鎂熱還原反應(yīng)條件為：保護(hù)性氣氛下，以2～10℃/min的升溫速率下加熱到648～750℃，保溫0～10小時(shí)。

優(yōu)選的，本發(fā)明所述所述(4)中的酸蝕液為鹽酸、硫酸、硝酸、氫氟酸、醋酸、草酸中的一種或幾種任意混合；酸的濃度為0.5～8mol/L。