NO334627B1 - Prosess for produksjon av disilan - Google Patents

Prosess for produksjon av disilan Download PDF

Info

Publication number
NO334627B1
NO334627B1 NO20100466A NO20100466A NO334627B1 NO 334627 B1 NO334627 B1 NO 334627B1 NO 20100466 A NO20100466 A NO 20100466A NO 20100466 A NO20100466 A NO 20100466A NO 334627 B1 NO334627 B1 NO 334627B1
Authority
NO
Norway
Prior art keywords
disilane
process according
monosilane
gas
catalyst
Prior art date
Application number
NO20100466A
Other languages
English (en)
Other versions
NO20100466A1 (no
Inventor
Dag Øistein Eriksen
Vidar Bjørnstad
Alexander Krivokapic
Original Assignee
Polysilane As
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Polysilane As filed Critical Polysilane As
Priority to NO20100466A priority Critical patent/NO334627B1/no
Priority to PCT/NO2011/000112 priority patent/WO2011122959A1/en
Publication of NO20100466A1 publication Critical patent/NO20100466A1/no
Priority to NO20121263A priority patent/NO20121263A1/no
Publication of NO334627B1 publication Critical patent/NO334627B1/no

Links

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/04—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of inorganic compounds, e.g. ammonia
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B33/00—Silicon; Compounds thereof
    • C01B33/04—Hydrides of silicon
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/0005—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
    • C01B3/001—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes characterised by the uptaking medium; Treatment thereof
    • C01B3/0015—Organic compounds; Solutions thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/0005—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
    • C01B3/001—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes characterised by the uptaking medium; Treatment thereof
    • C01B3/0021—Carbon, e.g. active carbon, carbon nanotubes, fullerenes; Treatment thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/0005—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
    • C01B3/001—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes characterised by the uptaking medium; Treatment thereof
    • C01B3/0026—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes characterised by the uptaking medium; Treatment thereof of one single metal or a rare earth metal; Treatment thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/0005—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes
    • C01B3/001—Reversible uptake of hydrogen by an appropriate medium, i.e. based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions, e.g. for hydrogen storage purposes ; Reversible gettering of hydrogen; Reversible uptake of hydrogen by electrodes characterised by the uptaking medium; Treatment thereof
    • C01B3/0031—Intermetallic compounds; Metal alloys; Treatment thereof
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/501—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion
    • C01B3/503—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by diffusion characterised by the membrane
    • C01B3/505—Membranes containing palladium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/508—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by selective and reversible uptake by an appropriate medium, i.e. the uptake being based on physical or chemical sorption phenomena or on reversible chemical reactions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/50—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification
    • C01B3/56—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids
    • C01B3/58—Separation of hydrogen or hydrogen containing gases from gaseous mixtures, e.g. purification by contacting with solids; Regeneration of used solids including a catalytic reaction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405—Purification by membrane separation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0405—Purification by membrane separation
    • C01B2203/041—In-situ membrane purification during hydrogen production
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/04—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas containing a purification step for the hydrogen or the synthesis gas
    • C01B2203/0465—Composition of the impurity
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/32—Hydrogen storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/36—Hydrogen production from non-carbon containing sources, e.g. by water electrolysis

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Silicon Compounds (AREA)
  • Manufacture, Treatment Of Glass Fibers (AREA)
  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

Teknisk område
Denne oppfinnelsen gjelder en ny og innovativ prosess for produksjon av disilan.
Bakgrunn
Innen dagens produksjon av elektroniske- og fotovoltaiske komponenter blir tynne lag av silisium deponert på substrater, vanligvis såkalte silisium "wafers" (skiver). Slike lag produseres ved hjelp av CVD, Chemical Vapor Deposition, eller MBE, Molecular Beam Epitaxy. Silisiumet føres inn i reaktoren i form av en gass som dekomponerer termisk på substratet som skal dekkes. Gassene som benyttes er monosilan, SiH4, eller TCS, triklorsilan (Tri-Chloro Silan), SiHCI3. Temperaturene som trengs for å dekomponere disse gassene er henholdsvis i områdene rundt 800 og 1400 K. Substratene må derfor tåle høye temperaturer. I tillegg blir i CVD, som er den raskeste av de to prosessene, gassen varmet i hele reaksjonskammeret og mye silisium blir avsatt utenfor substratet. Hvis deponeringstemperaturen er lavere blir tapet mindre siden temperaturgradienten mellom omgivelsene og reaksjonsstedet blir mindre og derfor lettere å isolere termisk.
Disilan, Si2H6, representerer et alternativ som omgår de ulempene monosilan og TCS medfører. Disilan blir i dag brukt industrielt til deponering av amorft silisium, epitaksisk silisium og silisiumbaserte dielektrikum produsert via hurtig lavtemperatur CVD (rapid low-temperature chemical vapor deposition, LTCVD)<1>. Disilan blir også brukt i groing av tynne SiGe-filmer ved hjelp av MBE sammen med metallisk germanium<2>. Disilan er brukt som silisiumkilde for hurtig lavtemperatur epitaktisk deponering av silisium<3>.
Deponering av amorft silisium, a-Si, på substrater kan gjøres ved langt lavere temperaturer ved bruk av disilan enn ved bruk av silan. Det har blitt vist at disilan er gir langt bedre produkter enn silan ved deponering av polykrystallinske tynne filmer på forskjellige substrater. Chen et al.<4>rapporterer 50% forbedring i filmtykkelsens homogenitet og 25% i overflatens ruhet. Rogel et al.<5>rapporterer forbedrede egenskaper hos transistorer laget av tynne filmer produsert på Corning glassubstrat. Den termiske dekomponeringsmekanismen til disilan er ikke godt forstått, men de viktigste stegene er det enighet om. Det er enighet om at dekomponeringen går gjennom et steg hvor disilanmolekylet splittes opp i monosilan and SiH2.<6>Splitting av Si-Si-bindingen krever 340 kJ/mol sammenliknet med Si-H-bindingen som krever 393 kJ/mole<7>. Det kreves derfor lavere temperatur for å splitte disilanmolekylet enn for å splitte monosilan, men bare halvparten av disilanmolekylet vil bli deponert ved denne temperaturen. Niwano et al. foreslår imidlertid en dekomponeringsmekanisme ved 700 K hvor det dannes et intermediært molekyl: H2Si-SiH2. Om så er vil alt disilan bli omdannet til silisium. Tonokura et al. studerte hydrogenert silisium etter som det ble dannet med time-of-flight massespektrometri, men kunne ikke påvise noen monosilisium-forbindelser.<8>Den samme gruppe bestemte, i en senere studie, dekomponeringsstegene til SiH4, SiH2, H3SiSiH, og dannelsen av høyere silaner, dvs. tri- og tetrasilaner<9>.
Disilan som har blitt brukt i de ovenfor beskrevne metoder har blitt produsert på en rekke forskjellige måter.
Disilan kan produseres fra vandig, sur reaksjon med Mg2Si<10>:
Fortynnet saltsyre (5%) kan benyttes. Det kjemiske utbyttet av disilan sammenliknet med monosilan øker med økning i temperaturen. For å holde reaksjonen i gang ved omlag 100°C (372 K), så kan fortynnet svovelsyre eller fosforsyre benyttes. Det japanske selskapet Mitsui benytter reaksjon av magnesiumsilisid med ammoniumklorid:
Disse prosessene krever silisider av jordalkalimetallene. En metode for å produsere slike silisider er ved maling i jet-mølle av metallurgisk (metallurgical grade - MG) magnesium med MG silisium.
En annen metode for å produsere disilan er å starte med monosilan og aktivere disse molekylene så de kan reagere. En aktiveringsmetode er å bruke elektriske utladninger og en annen er å varme opp silangassen. Disse metodene er brukt av silanprodusenter for å produsere små mengder av disilan. En annen metode som er antatt å være mindre energikrevende og med enklere prosesskrav er ved bruk av en katalysator. Japanske selskaper har søkt flere patenter innen dette emnet, men ingen har blitt implementert industrielt. Disse patentene benytter metallkomplekser av platinagruppen<11>eller lantanider som katalysatorer<12.>Det japanske selskapet Showa Denko har publisert resultater hvor de benyttet innskuddsmetall fra 4. periode: Ni, Mn og Fe som katalysatorer i en prosess hvor disilan ble dannet i en reaktor ved 470 - 570 K, deretter separert kryogent ved 200 K i en annen enhet og det ureagerte monosilan ble resirkulert i 10 timer i en batch-operasjon. Innenfor en syklus måtte gassen gjennomgå to trinn med temperaturdifferanse på > 250 K. Hydrogen, som ikke er en inert gass i denne prosessen, ble brukt som bæregass.<13>
Showa Denko har også søkt patent for å produsere trisilan og høyere silaner ved å benytte disproporsjonering av mono- og disilaner<14>. I dette patentet er hydrogen brukt som bæregass og videre beskrevet som inert. Metodene beskrevet ovenfor har alle forskjellige problemer som må løses før de er klare for storskala industriell produksjon. Den største utfordring er katalysatorenes lave aktivitet og dannelse av for mye biprodukt. Med hensyn til elektrisk utladning og oppvarming så er ulempene med disse metodene lavt utbytte, høyt energiforbruk og lav selektivitet for disilan relativt til høyere silaner. I tillegg tapes store andeler elementært silisium i form av støv i den sistnevnte prosessen.
Fra det som er skrevet ovenfor framgår det at det er flere metoder som kan brukes for å produsere disilan. I tillegg til utbytte og innhold av høyere silaner er imidlertid også den kjemiske renhet av avgjørende betydning for bruk innen fotovoltaisk- og elektronisk industri. På grunn av viktigheten av di- og høyere silaner, søkes det stadig nye måter å forbedre produksjonsmetodene på. Den her beskrevne oppfinnelse omhandler derfor en ny metode for å produsere disilan.
Beskrivelse av oppfinnelsen
Den her beskrevne oppfinnelse angir en ny innovativ prosess for framstilling av disilan. Den beskrevne prosessen unngår flere av ulempene som har blitt framholdt ved de hittil kjente produksjonsmetoder. Den nye metoden er i tillegg kontinuerlig, energieffektiv og har høyt utbytte pr syklus.
Oppfinnelsen er definert ved de vedlagte krav, og er en kontinuerlig prosess for produksjon av disilankarakterisert vedat: a. en strøm av monosilan, eventuelt sammen med en inert bæregass, føres over en katalysator i en kontaktor, hvor katalysatoren omfatter et metall fra gruppe 5 - 10 i det periodiske system, eller en forbindelse hvor et slikt metall inngår,
b. det dannede disilan separeres fra det ureagerte monosilan,
c. hydrogengassen, dannet i kontaktoren, separeres fra de andre komponenter i prosesstrømmen ved hjelp av en membranseparator, og d. ureagert monosilan blir returnert til et reservoar for videre anvendelse i trinn a.
I en utførelsesform av prosessen ifølge oppfinnelsen er metallet V, Cr, Mn, Fe, Co eller Ni, og hvor foretrukket metall er Ni.
I en utførelsesform av prosessen ifølge oppfinnelsen er temperaturen til katalysatoren i området 290 K til 520 K, foretrukket 330 K til 470 K, mer foretrukket 400 - 470 og ytterligere foretrukket 410-430 K.
I en utførelsesform av prosessen ifølge oppfinnelsen er trykket i reaktoren i området 0,1 - 100 bar, mer foretrukket i området 0,1-30 bar og ytterligere foretrukket i området 6-12 bar.
I en utførelsesform av prosessen ifølge oppfinnelsen blir separasjon av disilan fra ureagert monosilan gjort kryogent.
I en utførelsesform av prosessen ifølge oppfinnelsen er trykket i trinnet hvor disilan separeres høyt nok til å kondensere disilangassen ved en temperatur i området 300
- 350 K, foretrukket er 10 bar og 320 K.
I en utførelsesform av prosessen ifølge oppfinnelsen er membranen benyttet i separasjonen av hydrogengass fra prosesstrømmen basert på utelukkelse pga størrelsen på molekylene.
I en utførelsesform av prosessen ifølge oppfinnelsen er membranen, benyttet i separasjonen av hydrogengass fra prosesstrømmen, i form av hule fibre.
I en utførelsesform av prosessen ifølge oppfinnelsen er membranen benyttet i separasjonen av hydrogengass fra prosesstrømmen en del av katalysatorsenga i kontaktoren.
I en utførelsesform av prosessen ifølge oppfinnelsen er den inerte gassen argon, nitrogen eller helium.
Et viktig steg i oppfinnelsen er en katalysebasert reaksjon hvor disilan dannes ved dimerisering av monosilan. Katalysatoren inneholder et innskuddsmetall.
I reaksjonen Eq.3 betegner M et metall fra gruppene 5-10 eller en forbindelse hvor slikt inngår. Fra Eq.3 kan en se at hydrogen blir dannet i reaksjonen. Det er vel kjent fra termodynamikken at når kjemiske reaksjoner når likevekt vil vanligvis alle komponentene i reaksjonen være tilstede. Konsentrasjonene, dvs. aktivitetene, til de deltakende spedes avhenger av likevektskonstanten som kan beregnes fra massevirkningsloven. Ved å bruke denne loven kan vi utlede at å fjerne et av reaksjonsproduktene fører til en videre produksjon av det forønskede reaksjonsprodukt for å opprettholde likevekten. Dette kan utnyttes for å skape en mer effektiv prosess for å produsere disilan.
Denne hypotesen ble bekreftet I vårt laboratorium ved å foreta tester med varierende mengder av hydrogen eller en inert gass, argon, tilstede. Når hydrogen ble tilsatt ble utbyttet av disilan redusert, helt i overensstemmelse med massevirkningsloven.
Bruken av bæregass er ikke avgjørende for at prosessen skal gå, men enhver inert gass under prosessbetingelsene, slik som nitrogen, argon og helium, kan bli benyttet som bæregass. Som det framgikk av testreaksjonene er ikke hydrogen en inert gas i denne prosessen.
Hydrogengassen som produseres i reaksjonen hvor monosilan brukes for å produsere disilan blir fjernet ved å bruke en hydrogenselektiv membran.
Selektive membraner som bare er permeable for H2-molekyler, er kjent. Ett eksempel på slike membraner er beskrevet av Hsieh and Keller.<15>Denne membranen består av et aktivt lag (separasjonslag) av sulfonert polysulfon som er påført et bærelag av polysulfon. Som polysulfon anbefaler de polyaryletersulfon med minst en sulfonsyregruppe på aromatringene og et separasjonslag av sulfonert bisfenol A polysulfone. Ved hjelp av en slik membran kan separasjonsfaktorer for hydrogen relativt til monosilan på over 100 oppnås. Andre membraner for selektiv fjerning av hydrogengass finnes også. Disse er vanligvis basert på separasjon pga forskjell i størrelse på molekylene ("size exclusion"). Slike membraner er typisk laget av metallegeringer av palladium, så vell som mikroporøse keramer basert på for eksempel silika, zirkonia, SrCeOxog BaCeOx. Membraner av et mer robust materiale for lavtemperaturseparasjon av hydrogen fra silan kan også bli laget av SiC. SiC-membraner har flere fordeler som høy termisk ledningsevne, motstand mot termiske sjokk, motstand mot sure og basiske miljø, kjemisk inerthet og høy mekanisk styrke. De er derfor velegnede i membranereaktorer. Ytelsen til SiC- membraner har blitt testet ved 473 K av Dr Tsotsis gruppe ved USC<16>og de fant separasjonsfaktorer mellom metan og hydrogen på 29 - 78 i favør av hydrogen. Metan er et mindre molekyl enn silan. Selv om effektiviteten reduseres ved lavere temperatur er driftsbetingelser på 400 - 470 K akseptable.
Den her beskrevne oppfinnelse inneholder derfor følgende hovedtrinn:
1. Monosilangass, SiH4, med eller uten en inert bæregass føres over en katalysator i en kontaktor.
Kontaktoren kan være en pakket seng reaktor, en fluidisert seng reaktor, en membranereaktor, en kombinasjon av disse, for eksempel pakket seng katalytisk membranereaktor (PBCMR - packed bed catalytic membrane reaktor), så vel som andre anvendbare reaktorer.
Katalysatoren består av et innskuddsmetall fra gruppene 5 til 10 eller en forbindelse av et slikt. Foretrukne metaller er V, Cr, Mn, Fe, Co og Ni. Kommersielle katalysatorer på substrater av aluminat og silikat har vist høy effektivitet.
Katalysatoren må tåle å bli oppvarmet til et temperaturområde fra 290 K til 520 K. For å oppnå en mer energieffektiv prosess foretrekkes det at katalysatoren er oppvarmet til et temperaturområde fra 330 K til 470 K, mer foretrukket 400 - 470 og enda mer foretrukket 410 - 430 K. Trykket i reaktoren er i området 0.1 - 100 bar, mer foretrukket i området 0.1- 30 bar og enda mer foretrukket i området 6-12 bar.
2. Den utgående gass fra kontaktoren føres inn i et separasjonstrinn for å fjerne disilan som væske fra ikke-reagert monosilan, eventuell bæregass og hydrogen som dannes i kontaktoren. Foretrukket separasjonmetode for disilan er destillasjon. Trykket i trinnet hvor disilan separeres er fortrinnsvis høyt nok til å kondensere disilangassen ved en temperatur i området 300 - 350 K, foretrukket er 10 bar og 320 K. 3. Den hydrogengass som genereres i reaksjonen i kontaktoren blir så separert fra den ikke-reagerte monosilan og de gjenværende komponenter i prosesstrømmen ved hjelp av en egnet membranseparator, for eksempel av typen hulfiber. Membranseparatoren plasseres i prosesstrømmen der det er mest egnet. Helst blir membranseparatoren inkorporert i kontaktoren/reaktoren eller, om ønskelig, etter destillasjonstrinnet. Foretrukket temperatur for membranen vil avhenge av hvor i prosessen den plasseres. Dersom den inkorporeres i kontaktoren/reaktoren, vil optimal operasjonstemperatur for membranen måtte være i samme område som for katalysatoren, dvs. tem peratu rom rådet fra 330 K til 470 K, mer foretrukket er 400 - 470 og enda mer foretrukket 410 - 430 K. Når membranen er plassert etter destillasjonstrinnet, er et foretrukket temperaturområde for membranen 300 - 350 K. 4. Ikke-reagert monosilan som er fjernet fra det dannede disilan og utarmet for hydrogen returneres til et reservoar (make-up tank) for ny reaksjon i kontaktoren. Nytt monosilan kan bli tilført i hver syklus i en mengde tilsvarende det omsatte monosilan slik at fødegassen har en konstant konsentrasjon av monosilan.
Prosessen som er presentert ovenfor har flere fordeler. Bruk av en membran for å fjerne hydrogen fra bæregassen/monosilangassen reduserer betydelig nødvendigheten for å tilføre ny inert bæregass i hver syklus siden bare hydrogen fjernes, i motsetning til bruk av et kondenseringstrinn hvor alt eller deler av den inerte bæregass er fjernet fra monosilan vha nedkjøling. I tillegg er ikke bruk av et kondensasjonstrinn en velegnet metode for å selektivt fjerne hydrogen fra bæregassen. Videre gir membranseparatoren en mer energieffektiv prosess idet en slipper å avkjøle monosilangassen med eventuell bæregass i et eget kondensasjonssteg. Fjerning av den hydrogengass som dannes i reaktoren gir også en prosess som har et høyere utbytte av disilan per syklus. Til slutt må det legges til at separasjon av hydrogen og silan gjør gassene mindre utsatt for antenning dersom en lekkasje fører til at gass får kontakt med oksygen/luft. Denne prosessen er derfor tryggere enn konkurrerende prosesser.
Eksempler på brukte katalysatorer
Eksempel 1 - Nikkel ( Ni) som katalysator
Kommersielt tilgjengelige og spesiallagede katalysatorer ble testet for katalytisk effektivitet ved å variere reaktortem peratu r, strøm og trykk på monosilan-fødegassen. De testede katalysatorer var Ni på substrater av aluminat, alumina-silika og et nanomateriale bestående av karbonkoner. Alle fungerte tilfredsstillende, men de beste resultater ble oppnådd med en sylinderisk reaktor med en pakket seng av en kommersiell katalysator med høyt nikkelinnhold. Utbyttene av disilan var påviselige selv ved 300 K. Optimal temperatur ble funnet å være lavere enn 450 K. Ingen tri- eller høyere silaner ble dannet.
Eksempel 2 - Palladium ( Pd) som katalysator
Kommersielt tilgjengelig katalysator ble testet for katalytisk effektivitet ved å variere reaktortemperatur, strøm og trykk på monosilan-fødegassen. Katalysatoren som ble testet var Pd på substrat av alumina-silika. Den fungerte bra, men Pd-katalysatoren var ikke mer effektiv enn Ni.
Kort beskrivelse av tegningene
Figur 1 viser et flytekart av en prosess for produksjon av disilan hvor membranseparasjonsenheten (32) er plassert etter destillasjonstrinnet (23). Figur 2 viser et flytekart av en prosess for produksjon av disilan hvor membranseparasjonsenheten er inkludert i reaktoren (22).
To detaljerte eksempler på foretrukket utføring av oppfinnelsen
Utførelse 1: Prosess med en membranseparator ( 32) plassert etter destillasjonstrinnet ( 23)
Figur 1 viser et prosessflytekart. Tank (2) er en "make-up"-tank for monosilan. Denne gir føde til reaktoren (22) hvor katalysatoren er. Gassblandingen fra reaktor (22) går inn i separator (23) hvor disilan separeres fra monosilan, eventuelt også inert bæregass og hydrogengass. Det nevnte disilan kondenseres og overføres som væske til en evakuert konteiner (25), som holdes kald vha en kjølemaskin (26). Det nevnte monosilan, eventuelt også inert bæregass og hydrogengass blir komprimert i en kompressor (33) for å kunne føres gjennom membranseparatoren (32) hvor den nevnte hydrogengass blir separert fra nevnte monosilan og den eventuelle inerte bæregass. Den nevnte hydrogengass blir overført til en trykktank (3) hvor den blir lagret og kan brukes til andre ting, for eksempel regenerering av katalysatoren, oppvarming eller annet. Det nevnte monosilan blir ført tilbake til make-uptanken (2). På denne måten kan monosilan bli resirkulert inntil det er brukt helt opp eller, ved å ha et reservoar med rent monosilan, kan den fjernede mengden av disilan bli erstattet av en tilsvarende mengde monosilan gjennom røret (12).
Utførelse 2: Prosess med en pakket seng katalytisk membranreaktor ( PBCMR), dvs. den prosessen hvor membranseparatoren er inkludert i reaktoren ( 41).
Figur 2 viser et flytekart for en prosess hvor en pakket seng katalytisk membranreaktor (41) er benyttet. Figuren er tilsvarende figur 1 med det unntak at membranseparatoren (32) er fjernet. I denne prosessen blir hydrogengass fjernet av en membran i reaktoren. Den nevnte hydrogengass blir ført over til en trykktank (3) hvor den blir lagret for bruk i andre sammenhenger, for eksempel regenerering av katalysatoren, oppvarming eller annet.
Referanser:
<1>Lin, H.-Y. et. al. Solid- State Electron 39,1731, (1996)
<2>Wado, H. et. al. J. Cryst. Growth 169,457, (1996)
<3>Huange, G.W., et al. J. Appl. Physiol. 81,205, (1997)
<4>Y. Chen, H. Bu, S.W. Butler, KX.Cunningham, S.Wang, B. Spicer, IEEE Trans.
Semicond. Manufac. Vol. 18, No 1 (2005)
<5>R. Rogel, G. Gautier, N. Coulon, M. Sarret, O.Bonnaud, Thin solid Films 427, 108-112(2003)<6>A.A. Onischuk, V.P. Strutin, M.A. Ushiakova, V.N. Panfilov, Int J Chem Kinet Vol.30, 99-110(1998)
<7>D.D. Pates MSc-thesis, Iowa State University, Ames, 2006
<8>K. Tonokura, T. Murasaki, M. Koshi, J. Phys. Chem. B, 106, 555-563 (2002)
<9>K. Yoshida, K. Matsumoto, T. Oguchi, K. Tonokura, and M. Koshi, J. Phys. Chem. A
(2006) 110(14), 4726-4731<10>Gmelin Handbuch der Anorganischen Chemie Si Bl, Springer-Verlag, Berlin (1982)
<11>Japansk ikke-undersøkt patentsøknad 2-184513 (1990) På j apansk.
12Japansk patent 5-32785 På japansk.
<13>Japansk ikke-undersøkt patentsøknad 3-183613 (1991) På japansk.
<14>Y. Kitsuno, K. Yano, S. Tazawa, S. Matsuhira, T. Nakajo, US Patent No.: 6,027,705
(1998)
<15>S-T. Hsieh and G.E. Keller II, US 4,941,893 (1990)
<16>Elyassi, B., Sahimi, M., and Tsotsis, T. J.Membrane Sei. 288 (2007) 290-297 og Fayyaz, B., Harale, A., Park, B.-G., Liu, P.K.T., Sahimi, M, and Tsotsis, T. Ind.Eng.Chem. Res. (2005) 44, 9398-9408

Claims (10)

1. Kontinuerlig prosess for produksjon av disilankarakterisert vedat: a. en strøm av monosilan, eventuelt sammen med en inert bæregass, føres over en katalysator i en kontaktor, hvor katalysatoren omfatter et metall fra gruppe 5 - 10 i det periodiske system, eller en forbindelse hvor et slikt metall inngår, b. det dannede disilan separeres fra det ureagerte monosilan, c. hydrogengassen, dannet i kontaktoren, separeres fra de andre komponenter i prosesstrømmen ved hjelp av en membranseparator, og d. ureagert monosilan blir returnert til et reservoar for videre anvendelse i trinn a.
2. Prosess i henhold til krav 1 hvor metallet er V, Cr, Mn, Fe, Co eller Ni, og hvor foretrukket metall er Ni.
3. Prosess i henhold til krav 1, hvor temperaturen til katalysatoren er i området 290 K til 520 K, foretrukket 330 K til 470 K, mer foretrukket 400 - 470 og ytterligere foretrukket 410-430 K.
4. Prosess i henhold til hvilket som helst av kravene 1-4, hvor trykket i reaktoren er i området 0,1 - 100 bar, mer foretrukket i området 0,1-30 bar og ytterligere foretrukket i området 6-12 bar.
5. Prosess i henhold til krav 1, hvor separasjon av disilan fra ureagert monosilan blir gjort kryogent.
6. Prosess i henhold til krav 5, hvor trykket i trinnet hvor disilan separeres er høyt nok til å kondensere disilangassen ved en temperatur i området 300 - 350 K, foretrukket er 10 bar og 320 K.
7. Prosess i henhold til krav 1 hvor membranen benyttet i separasjonen av hydrogengass fra prosesstrømmen er basert på utelukkelse pga størrelsen på molekylene.
8. Prosess i henhold til krav 1 og 7 hvor membranen benyttet i separasjonen av hydrogengass fra prosesstrømmen er i form av hule fibre.
9. Prosess i henhold til krav 1, 7 og 8 hvor membranen benyttet i separasjonen av hydrogengass fra prosesstrømmen er en del av katalysatorsenga i kontaktoren.
10. Prosess i henhold til krav 1-9, hvor den inerte gass er argon, nitrogen eller helium.
NO20100466A 2010-03-30 2010-03-30 Prosess for produksjon av disilan NO334627B1 (no)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20100466A NO334627B1 (no) 2010-03-30 2010-03-30 Prosess for produksjon av disilan
PCT/NO2011/000112 WO2011122959A1 (en) 2010-03-30 2011-03-30 Process for the production of disilane
NO20121263A NO20121263A1 (no) 2010-03-30 2012-10-29 Fremgangsmåte for å produsere disilan

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
NO20100466A NO334627B1 (no) 2010-03-30 2010-03-30 Prosess for produksjon av disilan

Publications (2)

Publication Number Publication Date
NO20100466A1 NO20100466A1 (no) 2011-10-03
NO334627B1 true NO334627B1 (no) 2014-04-28

Family

ID=44169020

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20100466A NO334627B1 (no) 2010-03-30 2010-03-30 Prosess for produksjon av disilan
NO20121263A NO20121263A1 (no) 2010-03-30 2012-10-29 Fremgangsmåte for å produsere disilan

Family Applications After (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
NO20121263A NO20121263A1 (no) 2010-03-30 2012-10-29 Fremgangsmåte for å produsere disilan

Country Status (2)

Country Link
NO (2) NO334627B1 (no)
WO (1) WO2011122959A1 (no)

Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101231370B1 (ko) 2012-06-13 2013-02-07 오씨아이머티리얼즈 주식회사 모노실란의 열분해에 의한 디실란의 제조방법 및 제조장치
DE102013207442A1 (de) * 2013-04-24 2014-10-30 Evonik Degussa Gmbh Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von Silanen
DE102013226033A1 (de) * 2013-12-16 2015-06-18 Evonik Industries Ag Verfahren zur Herstellung von hochreinen Halbmetallverbindungen
CN105797671A (zh) * 2016-06-03 2016-07-27 山西广宇通科技股份有限公司 腐植酸盐反应系统装置
KR101810498B1 (ko) * 2017-07-25 2017-12-20 오션브릿지 주식회사 다이실란 합성 및 정제 장치
CN113083166A (zh) * 2021-03-16 2021-07-09 洛阳中硅高科技有限公司 乙硅烷制备设备和制备方法
CN114105148B (zh) * 2021-12-01 2022-08-12 全椒亚格泰电子新材料科技有限公司 利用等离子球磨裂解合成高阶硅烷的方法
CN115403048B (zh) * 2022-10-13 2023-11-07 中船(邯郸)派瑞特种气体股份有限公司 一种乙硅烷的纯化方法
CN115477305A (zh) * 2022-10-19 2022-12-16 浙江中宁硅业有限公司 一种乙硅烷及其制备方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4941893A (en) * 1989-09-19 1990-07-17 Union Carbide Chemicals And Plastics Company, Inc. Gas separation by semi-permeable membranes
JPH02184513A (ja) * 1989-01-11 1990-07-19 Tonen Sekiyukagaku Kk ジシランおよびトリシランの製造方法
JPH03183613A (ja) * 1989-12-08 1991-08-09 Showa Denko Kk ジシランの製造法

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP2225176B1 (en) * 2007-12-18 2013-01-23 Linde North America, INC. Methods of recovering silane

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH02184513A (ja) * 1989-01-11 1990-07-19 Tonen Sekiyukagaku Kk ジシランおよびトリシランの製造方法
US4941893A (en) * 1989-09-19 1990-07-17 Union Carbide Chemicals And Plastics Company, Inc. Gas separation by semi-permeable membranes
US4941893B1 (en) * 1989-09-19 1996-07-30 Advanced Silicon Materials Inc Gas separation by semi-permeable membranes
JPH03183613A (ja) * 1989-12-08 1991-08-09 Showa Denko Kk ジシランの製造法

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011122959A1 (en) 2011-10-06
NO20100466A1 (no) 2011-10-03
NO20121263A1 (no) 2012-12-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
NO334627B1 (no) Prosess for produksjon av disilan
TWI477447B (zh) 透過單矽烷之熱裂解製造二矽烷之方法及裝置
FR2526048A1 (fr) Procede de recuperation d&#39;oxygene a partir d&#39;un degagement de dioxyde de carbone
CN102229426B (zh) 一种单层、有序排布的等角六边形石墨烯的制备方法
CN101285175B (zh) 化学气相沉积法制备石墨烯的方法
CN102459066B (zh) 从反应混合物中电化学分离氢气的方法
EA200870558A1 (ru) Способы получения стержней поликристаллического кремния высокой степени чистоты с использованием металлического средства-основы
CN103352202B (zh) 一种常压化学气相沉积大面积高质量双层石墨烯薄膜的可控制备方法
CN102583337A (zh) 多孔结构石墨烯材料的制备方法
KR20120081996A (ko) 고급 히드리도실란의 제조 방법
US20030017092A1 (en) Method and apparatus for chemical synthesis
CN103935996A (zh) 一种用co2直接合成石墨烯的方法
KR101377935B1 (ko) 바이오 가스로부터의 메탄 및 수소의 제조방법
Pham Atmospheric pressure chemical vapor deposition of graphene
CN103819344B (zh) 一种1，2-丙二胺的合成方法
US9833773B2 (en) Hydrogen production catalyst containing Ni3Si-based intermetallic compound, method for activating the catalyst, and hydrogen production method and device using the catalyst
Xue et al. Amorphous Ni–B alloy membrane: preparation and application in ethanol dehydrogenation
US20050255245A1 (en) Method and apparatus for the chemical vapor deposition of materials
WO2007077957A1 (ja) 多結晶シリコンの製造方法
CN106316915B (zh) 一种邻乙基苯胺脱氢环化制吲哚的方法
CN112938946A (zh) 一种石墨烯的制备方法
CN116281956B (zh) 一种制备超高纯度单壁碳纳米管的方法和系统
WO2019092112A1 (en) Method for continuous production of 2,3-butanediol
CA2686640A1 (en) Polycrystalline germanium-alloyed silicon and a method for the production thereof
Akhmedov et al. Metal-free graphitic carbon nitrides as a catalysts for hydrogenation of phenol

Legal Events

Date Code Title Description
CREP Change of representative

Representative=s name: ONSAGERS AS, POSTBOKS 1813 VIKA, 0123

CHAD Change of the owner's name or address (par. 44 patent law, par. patentforskriften)

Owner name: PRIMUS.INTER.PARES AS, NO

MM1K Lapsed by not paying the annual fees