CN113461014B - 一种二硫化硅的双温区气固合成工艺 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及化工原料合成的技术领域，具体公开了一种二硫化硅的双温区气固合成工艺。本申请的工艺包括以下步骤：S1、将硫块与硅粉混合后置于合成管中，将合成管中抽至真空度为1‑100mTorr后密封；所述硫块中硫单质含量≧99.999％；所述硅粉中硅单质含量≧99.9％；S2、合成管分为高温区和低温区，S1中混合后的硫块和硅粉位于高温区；合成管高温区依次在600‑800℃保温1‑3h，800‑900℃保温1‑2h，900‑1000℃保温1‑3h，1000‑1100℃保温1‑3h和1100‑1200℃保温1‑3h；合成管低温区在200‑300℃保温，且低温区保温时间与高温区保温时间相同；S3、将S2中加热结束后的合成管冷却至室温，取出产物。本申请的工艺可以用于合成二硫化硅，生产过程安全，原料和生产过程均是环保的，且原料的成本低廉易得。

Description

一种二硫化硅的双温区气固合成工艺
技术领域
本申请涉及化工原料合成的技术领域，更具体地说，它涉及一种二硫化硅的双温区气固合成工艺。
背景技术
二硫化硅是一种无机化合物，其化学式为SiS2，属于斜方或正方晶体，常温常压下稳定，遇湿则分解成SiO2和H2S。二硫化硅可以用来制取芯片用的高纯硅，大幅简化硅的提纯问题，且由于二硫化硅是一种呈纤维状的聚合物，在新能源电池上也有着广泛的应用。
二硫化硅在工业上主要有两种合成路线，一种是先将铝粉与硫磺高温下反应，制得硫化铝，然后将硫化铝与过量的硅砂高温反应，制得二硫化硅和氧化铝，然而这一种合成路线较为繁琐，成本较高；另一种是采用硫化氢气体和硅单质在1800℃左右进行反应，制得二硫化硅，然而硫化氢气体有剧毒且易燃，安全问题较为严重。
发明内容
为了得到一种安全、高效且环保的二硫化硅合成工艺，本申请提供一种二硫化硅的双温区气固合成工艺。
本申请提供的一种二硫化硅的双温区气固合成工艺，采用如下的技术方案：
一种二硫化硅的双温区气固合成工艺，所述工艺包括以下步骤：
S1、将硫块与硅粉混合后置于合成管中，将合成管中抽至真空度为1-100mTorr后密封；所述硫块中硫单质含量≧99.999％；所述硅粉中硅单质含量≧99.9％；
S2、合成管分为高温区和低温区，S1中混合后的硫块和硅粉位于高温区；合成管高温区依次在600-800℃保温1-3h，800-900℃保温1-2h，900-1000℃保温1-3h，1000-1100℃保温1-3h和1100-1200℃保温1-3h；合成管低温区在200-300℃保温，且低温区保温时间与高温区保温时间相同；
S3、将S2中加热结束后的合成管冷却至室温，取出产物。
通过采用上述技术方案，在S1中，将合成管抽至真空状态，其一能够减少合成管中的元素种类，除去合成管中的空气、水分和有害杂质等，其二能够在后续加热过程中，硫单质受热变成硫蒸气，对合成管的气压起到预减作用，防止合成管内气压过大造成合成管炸裂；在S2中，S1中的原料位于高温区，进行高温加热，逐渐提高加热温度，能够对原料起到活化作用，进而硫单质和硅单质在高温下反应生成二硫化硅；当硫蒸气逸散至合成管的低温区时，由于低温区的温度低于硫的沸点，因此硫蒸气在合成管低温区发生冷凝，进而控制合成管内的气压趋于稳定，进一步降低了合成管爆管的概率，提高了硫蒸气的可控性；S2中反应生成的二硫化硅升华后又凝华在合成管位于高温区的侧壁上，进而在S3中，取出产物二硫化硅。
优选的，所述S1中，Si和S的混合摩尔比为1：(2.1-2.3)。
通过采用上述技术方案，将S微过量加入合成管中，能够促进反应向正向进行，且能够减少硫蒸气逸散在合成管内，对于与Si接触的S相对减少的现象发生。
优选的，所述S1中，硫块和硅粉粒径≦0.5mm。
优选的，所述合成管为石英管，且所述石英管的软化点为1400℃。
优选的，所述石英管使用前，用10％HF浸泡10min，用去离子水洗涤后烘干。
通过采用上述技术方案，使用氢氟酸对石英管进行浸泡，能够除去石英管表面黏附的杂质，使用去离子水洗去石英管内黏附的氢氟酸，提高石英管表面的干洁度，减少了杂质对反应的影响。
优选的，所述合成管低温区朝向高温区，沿重力方向倾斜设置。
通过采用上述技术方案，当硫蒸气在合成管低温区冷凝时，液态的硫单质能够顺着倾斜的合成管流动至合成管的高温区进行反应。
综上所述，本申请具有以下有益效果：
1、本申请将合成管抽至真空状态，减少合成管中的元素种类，除去合成管中的空气、水分和有害杂质等，并且能够在后续加热过程中，硫单质受热变成硫蒸气，对合成管的气压起到预减作用，防止合成管内气压过大造成合成管炸裂。
2、本申请中对合成管同时进行高温加热和低温加热，原料在高温区受热反应，当硫蒸气逸散至合成管低温区时，由于低温区的温度低于硫的沸点，因此硫蒸气在合成管低温区发生冷凝，并且回流倾斜回流至高温区，控制合成管内的气压趋于稳定，进一步降低了爆管的概率。
3、本申请对合成管使用氢氟酸和去离子水清洗，能够大限度的取出黏附在合成管内的杂质，且在合成管中加入硫单质和硅单质，经过一步反应生成二硫化硅，反应高效，简化了生产工艺，且成本低廉。
4、本申请采用硫单质直接与硅单质在真空环境中进行反应，相比硫化氢和硅单质反应而言，降低了原料的毒性和对环境的污染，且能够得到纯度99.995％以上的二硫化硅，其收率在80％以上。
附图说明
图1是本申请中一种二硫化硅的双温区气固合成工艺进行生产时，合成管与合成炉的安装图。
图2是本申请中一种二硫化硅的双温区气固合成工艺中，对合成管加热区域的示意图。
附图标记说明：1、合成管；2、双温区合成炉；3、高温区；4、低温区；5、原料放置区。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例
实施例1
参照图1和图2，本实施例1中一种二硫化硅的双温区气固合成工艺，包括以下步骤：
S1、将硫块和硅粉混合后，粉碎至粒径为0.3-0.5mm后，置于合成管1的原料放置区5，将合成管1内抽至真空度为10mTorr后，密封合成管1的两端，将合成管1放入双温区合成炉2中；
合成管1置于双温区合成炉2内时，S1中的原料位于双温区合成炉2的高温区3，双温区合成炉2对合成管1的高温区3进行高温加热，对合成管1的低温区4进行低温加热；且合成管1低温区4朝向高温区3沿重力方向倾斜，合成管1与水平面的夹角为3°；
其中，硫块中硫单质含量≧99.999％，硅粉中硅单质含量≧99.9％，且硫单质含量与硅单质含量的混合摩尔比为2.1：1；其中，合成管1为软化点1400℃的石英管，石英管壁厚为2.5mm，直径35mm，长度450mm，装料前，将石英管1置于10％HF中浸泡10min后，使用去离子水对石英管1表面进行清洗，并用红外线烘干；
S2、设定双温区合成炉2的加热参数，双温区合成炉2的高温加热设定为依次在700℃保温2h，850℃保温2h，950℃保温2h，1050℃保温2h，1150℃保温2h，合成炉的低温加热设定为在250℃保温10h；
S3、S2中双温区合成炉2的加热结束后，将合成管1水冷至室温，打开合成管1，取出产物，检测其纯度为99.996％，以投入硫单质摩尔量计算收率得83％。
实施例2
参照图1和图2，本实施例2中一种二硫化硅的双温区气固合成工艺，包括以下步骤：
S1、将硫块和硅粉混合后，粉碎至粒径为0.2-0.4mm后，置于合成管1的原料放置区5，将合成管1内抽至真空度为50mTorr后，密封合成管1的两端，将合成管1放入双温区合成炉2中；
合成管1置于双温区合成炉2内时，S1中的原料位于双温区合成炉2的高温区3，双温区合成炉2对合成管1的高温区3进行高温加热，对合成管1的低温区4进行低温加热；且合成管1低温区4朝向高温区3沿重力方向倾斜，合成管1与水平面的夹角为10°；
其中，硫块中硫单质含量≧99.999％，硅粉中硅单质含量≧99.9％，且硫单质含量与硅单质含量的混合摩尔比为2.3：1；其中，合成管1为软化点1400℃的石英管，石英管壁厚为3.5mm，直径40mm，长度500mm，装料前，将石英管1置于10％HF中浸泡10min后，使用去离子水对石英管1表面进行清洗，并用红外线烘干；
S2、设定双温区合成炉2的加热参数，双温区合成炉2的高温加热设定为依次在600℃保温3h，800℃保温2h，1000℃保温1h，1100℃保温1h，1150℃保温2h，合成炉的低温加热设定为在280℃保温9h；
S3、S2中双温区合成炉2的加热结束后，将合成管1水冷至室温，打开合成管1，取出产物，检测其纯度为99.995％，以投入硫单质摩尔量计算收率得81％。
本具体实施例仅仅是对本申请的解释，其并不是对本申请的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本申请的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (3)

1.一种二硫化硅的双温区气固合成工艺，其特征在于，所述工艺包括以下步骤：
S1、将硫块与硅粉混合后粉碎至粒径为0.3-0.5mm后，置于合成管中，将合成管中抽至真空度为1-100mTorr后密封；所述硫块中硫单质含量≧99.999％；所述硅粉中硅单质含量≧99.9％；其中，Si和S的混合摩尔比为1：(2.1-2.3)；
S2、合成管分为高温区和低温区，S1中混合后的硫块和硅粉位于高温区；合成管高温区依次在600-800℃保温1-3h，800-900℃保温1-2h，900-1000℃保温1-3h，1000-1100℃保温1-3h和1100-1200℃保温1-3h；合成管低温区在200-300℃保温，且低温区保温时间与高温区保温时间相同；
S3、将S2中加热结束后的合成管冷却至室温，取出产物；
所述合成管低温区朝向高温区，沿重力方向倾斜设置。
2.根据权利要求1所述的一种二硫化硅的双温区气固合成工艺，其特征在于：所述合成管为石英管，且所述石英管的软化点为1400℃。
3.根据权利要求2所述的一种二硫化硅的双温区气固合成工艺，其特征在于：所述石英管使用前，用10％HF浸泡10min，用去离子水洗涤后烘干。
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