CN114031082B - 一种感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的方法，步骤为：将工作气体在感应等离子反应器中激发形成稳定的高温等离子体，将气体硅烷与稀释气体混合注入高温等离子体热场中，气体硅烷在高温等离子体热场的热气流高温循环冷却气流的共同作用下分解，热解生成的硅原子经过冷却后凝结成纳米尺度的球形硅粉；裹挟硅粉的气流经过滤器过滤，纳米硅粉沉积在过滤器表面，然后通过周期性反吹气流吹落，收集得到纳米硅粉。本发明以硅烷气体作为原料，采用感应等离子体作为主要热源，普通加热管为辅助热源，具有热分解率高、无电极污染、可长时间连续生产的优点。所制备的纳米硅粉纯度高、球形度高、粒度分布窄、流动性好，具备很高的品质。
Description
技术领域
本发明涉及材料化学技术领域，具体的说涉及一种感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的方法。
背景技术
随着新能源相关产业的兴起和3C电子产品的普及，人们对锂离子电池提出来更高的要求——更大的体积/质量比能量密度、更快得充放电速率、更高的安全性。硅材料以其约10倍于石墨的能量密度，成为锂离子电池负极材料的有力竞争者。但是硅用作负极材料也有一个相当严重的缺陷，它在嵌锂后会膨胀至原体积的约3倍尺寸，制约了其在该领域的应用。纳米硅粉因其所具备的纳米效应，可以有效的降低这一负面效应。将纳米硅粉表面包碳与石墨混合使用，可有效的提升锂离子电池的容量和有效使用寿命，并将负极材料的膨胀率控制在可接受的范围之内。另外，纳米硅粉在其它领域也有着广泛的应用前景。比如，纳米硅粉与金刚石高压下混合形成碳化硅，常用作磨料、磨具、切削工具；纳米硅粉可与有机物反应，作为有机硅高分子材料的原料。
目前制备纳米硅粉的方法有机械球磨法、化学气相沉积法、熔盐电解法、等离子蒸发冷凝法等。机械球磨法一般以氧化锆为磨介，将粒径大的硅颗粒研磨成较小尺寸的硅粉，优点是步骤简单，成本相对比较低廉。但所得硅粉杂质含量高，颗粒形貌和粒径范围难以控制，且很难获得纳米级产品。化学气相沉积法是通过将硅烷在高纯氢稀释的气氛下加热至分解，然后冷却获得纳米硅粉。但制备过程中涉及高压力高浓度的氢气和硅烷，存在不小的安全隐患。熔盐电解法以无水CaCl2为电解质电解SiO2制备的硅颗粒大小不均，且难以控制硅颗粒进一步长大。等离子蒸发冷凝法通常采用微米级硅粉作为原料，利用直流电弧等离子体为热源将硅原料瞬间汽化，然后冷却硅蒸汽制备纳米硅粉，制备过程中容易引入电极材料汽化后造成的污染，且微米级原料粉末与等离子体的热耦合效率低，难以保证产品的纯度和产率。
因此，提供一种硅烷分解率高、安全性强、可连续生产的感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的方法是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的方法。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的方法，包括以下步骤：将工作气体在感应等离子反应器中激发形成稳定的高温等离子体，将气体硅烷与稀释气体混合注入高温等离子体热场中，气体硅烷在高温等离子体热场的热气流高温循环冷却气流的共同作用下分解，热解生成的硅原子或硅离子经过冷却后凝结成纳米尺度的球形硅粉；裹挟硅粉的气流进入含有过滤器的收集室中，透过过滤器后，纳米硅粉沉积在过滤器表面，然后通过周期性反吹气流吹落，收集得到纳米硅粉。
进一步，上述方法具体包括以下步骤：
(1)利用氩气或氮气对整个热解系统进行冲洗并检漏；
(2)将工作气体通入至等离子反应器中，经激发形成预定功率的稳定的高温等离子体，采用压缩机对一级高温冷却区域通入高温循环冷却气流，二级低温冷却区域通入低温循环冷却气流和氮气冷却气流；
(3)采用送料探针将气体硅烷在稀释气流包裹下注入高温等离子体热场中，硅烷在高温等离子体热场中分解，然后一级高温冷却区域，热解生成的硅原子或硅离子冷却形成微小的硅粉，同时，未分解的硅烷气体会进一步热解并生成硅粉和氢气，硅粉被混合气流携带至二级低温冷却区域，进行进一步冷却；
(4)被二级低温冷却区域冷却的硅粉被混合气流携带至收集室，气体透过收集室的过滤器后部分经处理后排空，剩余气体作为循环冷却气体循环利用，纳米硅粉被过滤器阻挡并粘附在过滤器表面，被周期性反吹气流吹落，收集得到纳米硅粉。
进一步，所述工作气体包括中心气和鞘气。
更进一步，所述中心气为氩气，流量为5～100slpm；所述鞘气为氩气和氢气的混合气体，鞘气中氩气流量为20～250slpm，鞘气中氢气流量0～30slpm。
采用上述进一步方案的有益效果在于：在鞘气中引入适当量的氢气可以有效的提升等离子热气流的热传导率，进而提高等离子热场的加热效率。
进一步，步骤(2)中所述等离子反应器的功率为15～80kw；系统工作压力为14～17Psig。
采用上述进一步方案的有益效果在于：将系统工作压力设定为约等于一个大气压，可以降低对系统的气密性要求，同时也降低了在系统发生较大泄漏时引发起火、爆炸危险的可能性。
进一步，所述高温循环冷却气流为氮气、氩气和氢气混合气体；高温循环冷却气流的温度为420～650℃，流量为1000～3000slpm
更进一步，高温循环冷却气流的混合气体中氮气、氩气和氢气体积比为：氮气50％，氩气40％，氢气10％。
更进一步，所述低温循环冷却气流为氮气、氩气和氢气的混合气体；低温循环冷却气流的温度为18～35℃，流量为5000～15000slpm；所述氮气冷却气流流量为150～450slpm。
更进一步，低温循环冷却气流的混合气体中氮气、氩气和氢气体积比为：氮气50％，氩气40％，氢气10％。
采用上述进一步方案的有益效果在于：采用价格相对低廉的氮气作为主要冷却气体，可以有效的降低制备成本；同时，氮气具有较高的比热容，可以有效的提升冷却效率。采用较高温度(高于硅烷气体的热解温度)的循环冷却气流作为一级冷却，可以在将硅原子或硅离子冷却生成硅颗粒的同时，作为补充热源为少量未反应的硅烷气体提供能量和反应气氛，极大的提升硅烷气体的热分解率(大于99％)。采用超大流量的低温循环气体作为二级冷却，可有效的控制反应生成的硅颗粒进一步长大，并作为主要冷却手段将系统内的气体温度控制在较低的范围内，可以有效的避免粉体对冷却过程中的干扰，达到长时间稳定运行的目的。
进一步，所述气体硅烷气流流量为15～120slpm；所述稀释气流为氩气，流量为50～200slpm。
采用上述进一步方案的有益效果在于：以硅烷作为原料气体，可以实现原料与等离子热场分子级的接触，提高热耦合效率；同时，可以避免以粗硅粉为原料生产时由于粗硅粉不完全汽化而形成的微米级大颗粒的产生。引入稀释气流可以约束硅烷气体的流向，避免其在注入高温热场之前发生逸散；同时，稀释气流可以将硅烷气体在注入前进行初步稀释，有助于生成更小粒径的纳米硅粉产品。
进一步，所述反吹气体为氩气或氮气。
采用上述进一步方案的有益效果在于：以氩气或氮气作为反吹气体可以在不引入更多种类气体的前提下完成反吹步骤，降低工艺条件的复杂性。
本发明的有益效果在于：本发明以硅烷气体作为原料，以感应等离子体为主要热源，以普通电加热管为辅助热源，采用多级反应和多级冷却的方式制备纳米硅粉。该方法具有硅烷分解率高、安全性强、可连续生产的优点。
本发明采用感应等离子体作为主要热源，可以实现物料与设备零接触的条件下对原料气体进行集中加热，不会引入电极污染，有助于提高产品纯度；可以避免加热过程中反应生成的粉末粘覆在加热器件表面，提高加热效率，降低设备维护成本，有利于工业化连续生产。
本发明以硅烷气体作为原料，可以实现原料与等离子热气流之间分子级的接触，极大的提升热耦合效率，提高能源利用率。同时，以硅烷气体作为原料可以避免以粗硅粉为原料生产时由于粗硅粉不完全汽化而形成的微米级大颗粒的产生，有利于提高纳米硅粉产品在粒度方面的品质。
本发明中以普通电加热管为辅助热源，与感应等离子热源相结合，创新性引入多级反应和多级冷却模式，充分发挥两种加热模式的优势，极大的提升的硅烷气体的热解率。采用本发明所述方法，硅烷的热解率可达99％以上，可以有效的提高硅烷气体的利用率，并降低尾气处理的环保成本，进而达到降低生产成本的目的。
本发明的制备过程中约有90％的工作气体被循环利用，用作超大流量的冷却气流，既可以有效控制纳米颗粒的粒径大小，又可以减少工作气体的用量，节约成本。同时，较大流量的工作气体可以将系统内的氢气和硅烷总浓度稀释至10％以下，极大的降低了极端情况下系统泄漏发生危险的可能性。
本发明采用双层同轴管结构的送料探针进行送料，硅烷气体在氩气气幕包裹下直接注入高温等离子热场，既可以防止硅烷气体在进入等离子热场前逸散，又可以利用氩气对硅烷气体进行初步稀释，有助于提高加热效率和降低纳米硅粉粒度。
本发明采用材质为多孔金属陶瓷的长筒状过滤器组进行气固分离，并用周期性的反吹气流对过滤器逐个反吹，可以达到相较于传统布袋收集器更高的过滤效率和更长的使用周期，可实现长时间连续生产。
本发明所制备的纳米硅粉的平均粒度在30～120nm可调，且具备高纯度、分布窄、球形状、易分散、流动性好、比表面积大和表面活性高的特点。
本发明还提供了上述感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的装置，包括等离子发生器、送料探针、一级高温冷却区域、二级低温冷却区、收集室、过滤器、压缩机、电加热管、水冷热交换器、尾气处理装置。
其中，所述离子发生器和所述送料探针均固定在所述一级高温冷却区域，所述二级低温冷却区域固定在所述一级高温冷却区域的底端；所述二级低温冷却区域的底端收集室的一侧连通；所述收集室的另一侧与水冷热交换器连通；所述收集室和水冷热交换器之间设置有压缩机，所述压缩机和水冷热交换器之间设置有电加热管；所述压缩机和收集室之间设置有尾气处理装置；
所述一级高温冷却区域表面设有高温循环冷却气流进气口；所述二级低温冷却区域设有低温循环冷却气流进气口，且所述低温循环冷却气流进气口还设有氮气冷却气流进气口；
所述收集室的底端设置有收粉罐，所述收集室内部设有过滤器。
进一步，所述送料探针结构为双层同轴管，内管为硅烷气体通道，内外管间的夹层为稀释气流通道。所述送料探针设有3～4根。
进一步，收集室内的过滤器设有10～30根，所述过滤器的材质为多孔金属陶瓷，所述过滤器的形状为长筒型。
附图说明
图1为本发明感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的装置结构和方法流程示意图；
图中标号为：1-感应等离子发生器、2-中心气、3-鞘气、4-送料探针、5-硅烷气流、6-稀释气流、7-一级高温冷却区域、8-二级低温冷却区域、9-高温循环冷却气流进气口、10-低温循环冷却气流进气口、11-氮气冷却气流进气口、12-收集室、13-过滤器、14-收粉罐、15-压缩机、16-电加热管、17-水冷热交换器、18-尾气处理装置。
图2为本发明所述实施实例1所制备纳米硅粉样品的电镜图。
图3为本发明所述实施实例2所制备纳米硅粉样品的电镜图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中所用硅烷纯度为99.9999％、氢气纯度为99.999％、氩气纯度为99.999％、氮气纯度为＞99.99％。
实施例1
1)准备过程：利用300slpm的流量的氩气对系统进行时长10min的冲洗，并进行检漏。检漏的过程分为高于检漏和低压检漏。通过标准分别为：系统在18psi的高压时，漏率不高于5slpm；系统在2psi的低压时，漏率不高于2slpm。向感应等离子发生器中通入30slpm的中心气(氩气)和鞘气(为90slpm氩气和10slpm氢气的混合气)。激发感应等离子体，调节系统压力至14.5psi，感应等离子发生器功率至40kw。然后启动压缩机，向一级高温冷却区域通入1500slpm、430℃的高温循环冷却气流，向二级低温冷却区域通入6500slpm、28℃的低温循环冷却气流和250slpm的氮气冷却气流。
2)反应过程：向送3个送料探针的内管通入共计30slpm的硅烷气流，内外管间的夹层通入共计90slpm的氩气作为稀释气流。硅烷气体在氩气的包裹和稀释下直接注入核心温度高达10000℃的等离子热气流中，急速分解为原子态或离子态的硅和氢。经过一级高温冷却区域时，硅原子或离子快速冷却形成微小的硅粒。同时，未分解的少量硅烷气体在这一区域进一步热解并生成微小的硅粒和氢气。然后，混合气流携带着硅粉进入二级低温冷却区域，经冷却后气体和硅粉的温度骤降至200℃以下。
3)收集过程：在反应区域生成的硅粉被气流携带至收集室。其中，气体透过收集室内悬挂的多个过滤器后，一部分经过尾气处理装置进行焚烧、洗涤后排空；剩余的气体经压缩机加压后循环利用，一部分经电加热管加热后通入一级高温冷却区域，另一部分经水冷热交换器冷却后通入二级低温冷却区域。纳米硅粉被过滤器阻挡并粘附在过滤器表面。采用氩气作为反吹气流，周期性对多个过滤器进行逐个反吹，将粘覆的纳米硅粉吹落至收集室底部的收粉罐中。反应过程持续8小时，通过在线更换收粉罐和停机后收集共获得纳米硅粉15.8kg。
本实施实例中所得纳米硅粉为淡黄色粉末，BET平均粒度为61nm，颗粒形貌为球形或近球形，如图2所示。
实施实例2
重复实施实例1，不同的是：
步骤1)中，向感应等离子发生器中通入40slpm的中心气(氩气)和鞘气(为120slpm氩气和15slpm氢气的混合气)。激发感应等离子体，调节系统压力至14.7psi，感应等离子发生器1功率至60kw。然后启动压缩机，向一级高温冷却区域通入1700slpm、450℃的高温循环冷却气流，向二级低温冷却区域通入7500slpm、30℃的低温循环冷却气流和300slpm的氮气冷却气流。
步骤2)中，向送3个送料探针的内管通入共计60lpm的硅烷气流，内外管间的夹层通入共计150slpm的氩气作为稀释气流。
步骤3)中，反应过程持续24小时，通过在线更换收粉罐14和停机后收集共获得纳米硅粉86.2kg。
本实施实例中所得纳米硅粉为暗黄色粉末，BET平均粒度为98nm，颗粒形貌为球形或近球形，如图3所示。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (3)
1.一种感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
（1）利用氩气或氮气对整个热解系统进行冲洗并检漏；
（2）将工作气体通入至等离子反应器中，经激发形成预定功率的稳定的高温等离子体，采用压缩机对一级高温冷却区域通入高温循环冷却气流，二级低温冷却区域通入低温循环冷却气流和氮气冷却气流；所述工作气体包括中心气和鞘气；所述中心气为氩气，流量为5~100slpm；所述鞘气为氩气和氢气的混合气体，鞘气中氩气流量为20~250slpm，鞘气中氢气流量0~30slpm；
所述高温循环冷却气流为氮气、氩气和氢气混合气体；高温循环冷却气流的温度为420~650℃，流量为1000~3000slpm；
所述低温循环冷却气流为氮气、氩气和氢气的混合气体；低温循环冷却气流的温度为18~35℃，流量为5000~15000slpm；所述氮气冷却气流流量为150~450slpm；
（3）采用送料探针将气体硅烷在稀释气流包裹下注入高温等离子体热场中，所述气体硅烷气流流量为15~120slpm；所述稀释气流为氩气，流量为50~200slpm，硅烷在高温等离子体热场中分解，然后经过一级高温冷却区域，热解生成的硅原子或硅离子冷却形成微小的硅粉，同时，未分解的硅烷气体会进一步热解并生成硅粉和氢气，硅粉被混合气流携带至二级低温冷却区域，进行进一步冷却；
（4）被二级低温冷却区域冷却的硅粉被混合气流携带至收集室，气体透过收集室的过滤器后，纳米硅粉被过滤器阻挡并粘附在过滤器表面，被周期性反吹气体吹落，收集得到纳米硅粉。
2.根据权利要求1所述一种感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的方法，其特征在于，步骤（2）中所述等离子反应器的功率为15~80kw；系统工作压力为14~17Psig。
3.根据权利要求1所述一种感应等离子热解硅烷制备纳米硅粉的方法，其特征在于，所述反吹气体为氩气或氮气。
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Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07161646A (ja) * | 1993-12-13 | 1995-06-23 | Nec Corp | 多結晶膜作成方法 |
| WO2005049491A1 (en) * | 2003-11-19 | 2005-06-02 | Degussa Ag | Nanoscale, crystalline silicon powder |
| CN102153087A (zh) * | 2010-12-24 | 2011-08-17 | 上海普罗新能源有限公司 | 双室单联真空循环脱气炉及太阳能级多晶硅的制备 |
| CN102320606A (zh) * | 2011-07-20 | 2012-01-18 | 河北大学 | 一种生长纳米晶硅粉体的方法 |
| CN106185947A (zh) * | 2016-07-21 | 2016-12-07 | 中国有色桂林矿产地质研究院有限公司 | 一种纳米硅粉的制备方法 |
| CN108101061A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-06-01 | 合肥开尔纳米能源科技股份有限公司 | 纳米硅粉的制备方法 |
| CN110156022A (zh) * | 2019-07-06 | 2019-08-23 | 金雪莉 | 一种宏量制备硅纳米材料的方法及装置 |
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Family Cites Families (4)
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|---|---|---|---|---|
| WO2015076441A1 (ko) * | 2013-11-25 | 2015-05-28 | 한국에너지기술연구원 | Ｉｃｐ를 이용한 실리콘 나노입자 제조장치 |
| CN103936009B (zh) * | 2014-04-21 | 2015-12-30 | 浙江中宁硅业有限公司 | 一种硅烷热分解生产纳米级高纯硅粉的装置及方法 |
| CN106698437A (zh) * | 2017-01-03 | 2017-05-24 | 昆明理工大学 | 一种利用热等离子法制备球形纳米硅的方法 |
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH07161646A (ja) * | 1993-12-13 | 1995-06-23 | Nec Corp | 多結晶膜作成方法 |
| WO2005049491A1 (en) * | 2003-11-19 | 2005-06-02 | Degussa Ag | Nanoscale, crystalline silicon powder |
| CN102153087A (zh) * | 2010-12-24 | 2011-08-17 | 上海普罗新能源有限公司 | 双室单联真空循环脱气炉及太阳能级多晶硅的制备 |
| CN102320606A (zh) * | 2011-07-20 | 2012-01-18 | 河北大学 | 一种生长纳米晶硅粉体的方法 |
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| CN108101061A (zh) * | 2017-11-22 | 2018-06-01 | 合肥开尔纳米能源科技股份有限公司 | 纳米硅粉的制备方法 |
| CN110156022A (zh) * | 2019-07-06 | 2019-08-23 | 金雪莉 | 一种宏量制备硅纳米材料的方法及装置 |
| CN111261864A (zh) * | 2020-02-10 | 2020-06-09 | 马鞍山科达普锐能源科技有限公司 | 一种锂离子电池用硅碳负极材料及其制备方法 |
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