DE102006041605A1 - Drucksynthesen von gasförmigen und flüssigen Silanen - Google Patents

Abstract

Da die Ressourcen an Erdöl zu Ende gehen, und flüssiger Wasserstoff jahrzehntelang fälschlicherweise als Treibstoff der Zukunft bezeichnet worden ist, sind als Alternative zu Kohlenwasserstoffen (Alkanen) und flüssige Silane als zukünftige Antriebsmittel von Bedeutung. Die Herstellung der Silane durch sauere Zersetzung ist nur dann von Interesse, wenn der Grundstoff kristallines Silizium sehr preiswert zur Verfügung steht. Bei der saueren Zersetzung entstehen in der Hauptsache gasförmige Silane, die sich auch durch Drucksynthese mit Katalysatoren darstellen lassen. Mit der vorliegenden Erfindung und den vorausgegangenen Patenten und Patentanmeldungen durch P. Plichta ist es nunmehr möglich, flüssige Silane durch Drucksynthesen aus angeätztem kristallinen Silizium und gasförmigen Silanen in der Hitze katalytisch in solchen Mengen zu gewinnen, das weltweit synthetische siliziumhaltige Treibstoffe zur Verfügung stehen werden, um neu konstruierte Automotoren bzw. Scramjet-Antriebe mit Silanen zu betreiben. Auf die Weise lässt sich die Gefahr eines Krieges um Ressourcen herunterschrauben.

Description

• Aufgabenstellung
• Bei der Zersetzung von Magnesiumsilizid (Mg₂Si) in heißer Säure, was Stocksches Verfahren genannt wird, entstehen in der Hauptsache gasförmige Silane: Monosilan (SiH₄) zu 80 % und Disilan (Si₂H₆) zu 15 % sowie die flüssigen Silane Trisilan (Si₃H₈) und Tetrasilan (Si₄H₁₀). Höhere flüssige Silane konnte F. Fehér 1974 herstellen, nachdem er 1970 drei Liter eines flüssigen Rohsilangemisches gewonnen hatte. So gewann er zum Beispiel über 700 Gramm n- und iso-Pentasilan darstellen. Zuvor war es aber 1970 seinem Universitätsassistenten P. Plichta gelungen, Silane mit fünf, sechs, sieben, acht, neun und zehn Siliziumatomen als gaschromatographisch reine, getrennte n- und iso-Isomere im Milliliterbereich durch einfache Pyrolyse von Tri- und Tetrasilan zu gewinnen ( DE 21 39 155 ). Hierbei zeigte es sich, dass höhere Silane, im Gegensatz zur Lehrmeinung (A. Stock), bei Raumtemperatur vollkommen stabil sind. Die erwiesenermaßen falsche Ansicht von der Instabilität der Silane steht 36 Jahre später immer noch in den Chemiebüchern dieser Welt. Während die von Stock hergestellten Borane eine Anwendung fanden, was zur Verleihung eines Nobelpreises führte, sind die flüssigen Silane erst mit DE 44 37 524 ins Gespräch gekommen, weil P. Plichta 1994 ihre Stickstoffverbrennung nachwies. 1970 wurden am einzigen Silaninstitut der Welt das Monosilan noch abgefackelt, weil niemand seine Bedeutung zur Herstellung von Fotosilizium und Computerchip-Silizium erfasst hatte. Inzwischen wird Monosilan weltweit in Mengen von tausenden von Tonnen industriell gewonnen.
• Die Darstellung von Rohsilizium in Norwegen ist sehr teuer. Dementsprechend sind Chlorsilane und Monosilan zur Herstellung von Fotosilizium so teuer, dass die Stromgewinnung aus Licht über Solarzellen nicht insoweit vorankommt, dass weltweit auf den Hausdächern Strom produziert werden kann. Mit den Patentanmeldungen AZ 10 2006 023 515.0 und AZ 10 2006 029 282.0 konnte P. Plichta nachweisen, dass sich aus ölhaltigen Sanden/Schiefern sehr preiswert Fotosilizium darstellen lässt. Schon im Jahr 2000 hatte P. Plichta eine Großsynthese von höheren Silanen über ein abgeändertes Müller-Rochow-Verfahren angemeldet ( AZ 100 59 625.8 ). Nachdem P. Plichta 2006 einen „Fahrzeugmotor mit Silan-Stickstoffantrieb zur Erzeugung von Drehstrom zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges ohne bewegliche Motorteile" ( AZ 10 2006 009 907.9 ) angemeldet hatte, entwickelte er eine „Silan-Brennstoffzelle mit Reinstickstoff-Siliziumverbrennung aus eingespeister Luft" ( AZ 10 2006 028 063.6 ).
• 2003 war es P. Plichta und A. Kornath (Universität Dortmund) gelungen, erstmalig eine Großdarstellung von reinem Cyklopentasilan zu entwickeln und zwar über einen organischen Grundstoff Diphenyl-Dichlorsilan (Phe₂CL₂Si). Inzwischen hatte Plichtas Assistent B. Hidding 2003 (Universität der Bundeswehr, München) nachgewiesen, dass alle Verbrennungsentalpien die F. Fehér veröffentlicht hat, falsch sind. Plichta, Hidding und Kornath wiesen auch nach, dass die Verbrennungsentalpie von Cyklopentasilan, die N. Auner 1998 (Unversität Frankfurt) am ICT Berghausen gemessen hatte, völlig falsch sind.
• Da flüssige Silane der Treibstoff der Zukunft sein werden, ist es notwendig, ein Verfahren zu entwickeln, flüssige Silane so kostengünstig darzustellen, dass sie die Treibstoffe Benzin, Diesel und flüssigen Wasserstoff völlig ersetzen werden. Hierzu wurden auf Veranlassung von P. Plichta an der Universität Dortmund 2003 Vorversuche unternommen.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verfahren zu entwickeln, aus preiswertem kristallinen Silizium großtechnisch gasförmige und flüssige Silane zu erzeugen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, insgesamt in zwei Stufen erst Monosilan zu synthetisieren um dieses dann in flüssige Silane zu überführen. Anschließend könnten diese flüssigen Silane pyrolysiert werden, wenn es notwendig ist, nicht selbstentzündliche Silane herzustellen.
• Vorversuche haben ergeben, dass angeätztes Silizium unter Zusatz eines Katalysators in Autoklaven mit aufgepresstem Wasserstoff zu Monosilan (SiH₄) reagiert. Die Wahl des Katalysators wie Platin oder Kupfer ist hierbei anscheinend nicht von Bedeutung. Wichtiger ist es vielmehr, aus Ölsanden/Ölschiefern gewonnenes kristallines Fotosilizium sehr fein zu mahlen und bei Temperaturen von über 300° mit Wasserstoff unter Druck zu behandeln. Das so gewonnene SiH₄/H₂-Gemisch kann dann sofort in einen zweiten Autoklaven überführt werden, wobei in der Hauptsache Trisilan (Si₃H₈) gewonnen wurde. Das Gasgemisch aus Wasserstoff, Monosilan, Disilan, Trisilan und Tetrasilan kann dann bei Temperaturen von etwa 250° in einen dritten Autoklaven überführt werden und wieder mit kristallinem Silizium reagieren. Die so gewonnenen höheren Silan-Gemische lassern sich im Vakuum fraktionieren. Ähnlich wie Benzin oder Diesel ist auch dieser Treibstoff ein Gemisch von n- und iso-Silanen mit einem hohen Anteil von Pentasilan.
• Da kristallines Silizium direkt bei der Herstellung aus Ölsand/Ölschiefern anfällt, weil bei dem Verfahren Siliziumfluorid (SiF₄) frei wird ( AZ 59607219.8 P. Plichta) und durch Aluminiumgries in einem Termitverfahren in Aluminiumfluorid überführt wird, steht der Gewinnung von preiswertem synthetischen Siliziumhaltigen Benzinen nichts mehr im Wege. Die Gefahren der Erdölverknappung sind hiermit erledigt.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung von gasförmigen und flüssigen Silanen, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe von Drucksynthesen aus preiswertem kristallinen Silizium Autotreibstoffe oder Scamjet-Antriebstoffe dargestellt werden, indem zuerst aus angeätztem feinstgemalenen kristallinen Silizium mit Hilfe von Katalysatoren wie Metallen der Nebengruppenelemente oder ihrer Mischung mit Metalloxiden bei Temperaturen von 300° gasförmiges Monosilan gewonnen wird, das dann in einem zweiten Schritt erneut einer Drucksynthese mit Silizium und Katalysatoren (s. o.) unterhalb von 300° unterzogen wird, so das durch eine dritte Drucksynthese die Kettenlänge der entstandene Silane soweit gesteigert wird, dass ein Gemisch aus n- und iso-Silanen entsteht, das weitgehend eine mittlere Kettenlänge von etwa fünf Siliziumatomen besitzt, und somit wegen der Größe der Siliziumatome von der Konsistenz und den Siedepunkten in etwa einem herkömmlichen Dieseltreibstoff ähnlich, wobei der so gewonnene Treibstoff aber noch selbst entzündlich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1.), dadurch gekennzeichnet, dass das auf diese Weise hergestellte Silangemisch trotz seiner Selbstentzündlichkeit als Treibstoff zum Einsatz kommen kann, da es weit ungefährlicher ist als verdampfter flüssiger Wasserstoff, der bei Funkenbildung als Knallgas reagiert, so das Vorrichtungen zum Einsatz kommen können, die mit Schutzgasen wie Argon dafür sorgen, dass die Selbstentzündung beim tanken unterbleibt. Sollte nicht selbstentzündliches Silanöl benötigt werden, lässt sich die Kettenverlängerung nach dem Stand der Technik leicht durchführen.
3. Verfahren nach Anspruch 1.) und 2.), dadurch gekennzeichnet, dass die Selbstentzündlichkeit von höheren Silanen in der Raumfahrt bei Scamjet-Antrieben von besonderem Vorteil ist, da Silane in einer heißen Brennkammer mit Stickstoff und Kohlendioxyd als Oxidatoren brennen (P. Plichta).