CN102838120B - 纳米铂催化氢化四氯化硅的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种纳米铂催化氢化四氯化硅的方法，四氯化硅与氢气混合后在包括以下条件下进行反应：（1）催化剂为纳米铂；（2）光照；（3）反应温度为20-400℃。本发明采用纳米铂催化四氯化硅的氢化反应，在有光照的条件下，四氯化硅与氢气的反应温度可降至400℃以下，反应压力在0.6MPa以下，而四氯化硅转化率达到20～35%，该方法对设备要求低，具有能耗低、转化率高的优点。
Description
技术领域
本发明属于四氯化硅氢化领域，具体涉及一种采用纳米铂催化氢化四氯化硅为三氯氢硅的方法。
背景技术
随着化石能源的逐渐枯竭以及环境污染问题的日益加剧，探寻一种无污染的可再生能源成为当务之急。充分利用太阳能，对在低碳模式下实现可持续发展具有重要的经济和战略意义。多晶硅是生产太阳能光伏电池的主要原料。目前，多晶硅主要由改良西门子法生产。但是，受反应过程工艺限制，该法在生产多晶硅的同时产生大量的副产物四氯化硅（每生产1吨多晶硅会产生15-18吨的四氯化硅）。如以全中国10万吨计算，则会产生225-270万吨四氯化硅。数量庞大的四氯化硅的处理成了制约全世界多晶硅企业发展的巨大瓶颈。另外，四氯化硅是一种有毒有害液体，如果不加处理而任意排放，四氯化硅将会与大气中的水汽结合，产生氯化氢气体，从而对环境造成严重污染，也造成了资源的极大浪费，加大了企业的生产成本。合理回收利用四氯化硅，在减少环境污染的同时，大大降低了企业的生产成本，有利于多晶硅生产企业的可持续发展。
多晶硅企业处理四氯化硅的最好方法是将四氯化硅与氢气反应转化为三氯氢硅，这一过程不仅能使四氯化硅得到有效的处理，同时得到了作为多晶硅生产原料的三氯氢硅和氯化氢，避免了处理四氯化硅带来的次生污染，同时也使得多晶硅企业实现真正意义上的绿色闭路循环生产。
目前四氯化硅的处理方式主要是热氢化和冷氢化。热氢化是在高温（1200℃）低压（0.5MPa）下进行的，通常要配套三氯氢硅合成装置。因此，热氢化具有能耗高、投资大、转化率较低（15-19%）等缺点；冷氢化是在低温（500-600℃）高压（2.0-3.0MPa）下进行，具有能耗低和转化率高（20-23%）的优点，但是也具有投资大、操作难、设备要求高和维修困难等缺点。因此开发低温（<500℃）低压（<0.5MPa）下的四氯化硅氢化技术成了多晶硅节能降耗的关键技术之一。
发明内容
本发明的目的解决现有四氯化硅氢化需要在高温（1200℃以上）或高压（2.0MPa）下进行而转化率又低的问题，提供一种利用纳米铂在低温低压下催化四氯化硅氢化为三氯氢硅使四氯化硅转化率提高至20%以上的方法。
本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：
一种纳米铂催化氢化四氯化硅的方法，四氯化硅与氢气混合后在包括以下条件下反应生成三氯氢硅：（1）催化剂为纳米铂；（2）光照；（3）反应温度为20-400℃。
进一步地，所述纳米铂的粒径为3～10nm。
进一步地，所述纳米铂负载在二氧化硅载体表面。
进一步地，光照强度为80-150mW/cm3。
进一步地，反应温度为100-400℃。
进一步地，反应温度为100-350℃。
进一步地，四氯化硅与氢气的摩尔比为1：（1-6）。
进一步地，四氯化硅与氢气反应时的压力为0.1-0.6MPa。
所述纳米铂的制备过程为：将二氧化硅载体粉末分散于水中，加入氯铂酸或氯铂酸钾，然后加入异丙醇，光照10～15小时，得到的粉末经分离、洗涤、干燥后，于500～550℃煅烧，即得到负载在二氧化硅载体表面的纳米铂。氯铂酸按所得催化剂中铂含量为0.5～5wt%的量加入，按每克氯铂酸或氯铂酸钾的量加入9-11ml异丙醇。
有益效果：本发明采用纳米铂催化四氯化硅的氢化反应，在有光照的条件下，四氯化硅与氢气的反应温度可降至400℃以下，反应压力在0.6MPa以下，而四氯化硅转化率达到20～35%，该方法对设备要求低，具有能耗低、转化率高的优点。
附图说明
图1本发明四氯化硅氢化反应装置示意图，其中，1-管式反应器，2-光源，3-氩气入口，4-混合气入口，5-反应尾气出口。
图2为催化剂的高分辨透射电镜图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
实施例1
反应装置如图1所示，管式反应器内壁涂覆催化剂50g，管式反应器内给予光照强度为100mW/cm3的高压汞灯持续光照，用氩气排除管式反应器内的氧后，将预热后的四氯化硅和氢气混合气通入管式反应器中，使管式反应器内压力保持0.2MPa，四氯化硅和氢气的摩尔比为SiCl4:H2=1:6，混合气（SiCl4+H2）流量为2500kg/h调节反应温度，测出四氯化硅在不同的温度下催化氢化生成三氯氢硅的转化率，如表1所示。
表1 不同反应温度下四氯化硅的转化率
。
实施例2
如实施例1，不同之处在于，管式反应器中温度维持在100℃，四氯化硅和氢气的混合气进料摩尔比为SiCl4:H2=1:6，调节反应压力，测出四氯化硅在不同的压力下催化氢化生成三氯氢硅的转化率，如表2所示。
表2 不同反应压力下四氯化硅的转化率
。
实施例3
如实施例1，不同之处在于，管式反应器中温度维持在100℃，调节四氯化硅和氢气混合气进料比，测出四氯化硅在不同的混合气进料比下催化氢化生成三氯氢硅的转化率，如表3所示。
表3不同进料比下四氯化硅的转化率
。
实施例4
如实施例1，不同之处在于，管式反应器中温度维持在100℃，调节四氯化硅和氢气混合气的流量，测出四氯化硅在不同混合气流量下催化氢化生成三氯氢硅的转化率，如表4所示。
表4不同混合气流速下四氯化硅的转化率
。
实验结果表明在其它条件一定的情况下，气体流量对四氯化硅的转化率影响非常很小。
实施例5
反应装置如图1所示，管式反应器内壁涂覆催化剂50g，管式反应器内给予光照强度为100mW/cm3的高压汞灯持续光照，用氩气排除管式反应器内的氧后，将预热后的四氯化硅和氢气混合气通入管式反应器中，使管式反应器内压力保持0.2MPa，温度维持在100℃，混合气（SiCl4+H2）流量为2500kg/h，四氯化硅和氢气的摩尔比为SiCl4:H2=1:6，测出四氯化硅的转化率。关闭光源，停止光照，20分钟后再测出四氯化硅的转化率。具体数据见表5。
表5光照对四氯化硅转化率的影响
。
实施例6
纳米铂的制备：将二氧化硅粉末（粒径200～800nm的微球）30g均匀分散于1000 ml高纯水中，加入3.2 g氯铂酸和35 ml异丙醇，在高压汞灯照射下光照12小时，然后离心分离，洗涤，干燥，得到灰黑色固体粉末，然后把该灰黑色固体粉末放在520℃煅烧1.5小时，得到二氧化硅表面附着了粒径为3-10nm的纳米铂的催化剂（图2为所得催化剂的高分辩透射电镜图，图中的晶间距对应于铂），铂在催化剂中的质量百分含量为4.1%。
Claims (7)
1.一种纳米铂催化氢化四氯化硅的方法，其特征在于，四氯化硅与氢气混合后在包括以下条件下反应生成三氯氢硅：（1）催化剂为纳米铂；（2）光照；（3）反应温度为100-400℃。
2.根据权利要求1所述纳米铂催化氢化四氯化硅的方法，其特征在于：所述纳米铂的粒径为3～10nm。
3.根据权利要求2所述纳米铂催化氢化四氯化硅的方法，其特征在于：所述纳米铂负载在二氧化硅载体表面。
4.根据权利要求1所述纳米铂催化氢化四氯化硅的方法，其特征在于：光照强度为80-150mW/cm3。
5.根据权利要求1所述纳米铂催化氢化四氯化硅的方法，其特征在于：反应温度为100-350℃。
6.根据权利要求1所述纳米铂催化氢化四氯化硅的方法，其特征在于：四氯化硅与氢气的摩尔比为1：（1-6）。
7.根据权利要求1所述纳米铂催化氢化四氯化硅的方法，其特征在于：四氯化硅与氢气反应时的压力为0.1-0.6MPa。
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