【精选】电解二氧化硅制备高纯硅
高纯二氧化硅制备
高纯二氧化硅制备
高纯二氧化硅可以通过以下步骤进行制备：
1. 原料准备：选择纯净无杂质的硅源，如硅酸钠、硅酸铝、硅酸钾等，并将其粉碎成细粉。
2. 溶液制备：将硅源溶解在去离子水中，按照一定的配比加入盐酸或硫酸等酸性物质来调整溶液的酸碱度。
3. 沉淀生成：将溶液慢慢加入搅拌的反应器中，同时进行搅拌和加热。
在反应过程中，溶液中的硅源与酸反应生成硅酸，然后发生聚合和沉淀反应，形成二氧化硅的胶体颗粒。
4. 过滤和洗涤：将沉淀的二氧化硅胶体颗粒用过滤器或离心机进行分离，然后用去离子水洗涤多次，以去除多余的酸和杂质。
5. 干燥和煅烧：将洗涤后的二氧化硅进行干燥，可采用自然晾干或低温干燥的方法。
然后将干燥的二氧化硅进行煅烧，通过高温热处理来进一步提高其纯度。
6. 纯化和分级：对煅烧后的二氧化硅进行纯化处理，以去除残留的杂质和颗粒。
可以采用酸碱处理、溶剂提取、离子交换等方法进行纯化。
最后对纯化后的二氧化硅进行粒度分级，以得到所需的高纯度二氧化硅粉末。
需要注意的是，在整个制备过程中，要保持操作环境的洁净，尽量避免外部杂质的进入，以提高二氧化硅的纯度。
一种高纯硅的制备方法[发明专利]
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[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公布说明书[11]公开号CN 101372334A [43]公开日2009年2月25日[21]申请号200810233462.2[22]申请日2008.10.22[21]申请号200810233462.2[71]申请人昆明理工大学地址650031云南省昆明市学府路253号[72]发明人马文会 戴永年 杨斌 刘大春 吕东 魏奎先 梅向阳 伍继君 汪镜福 徐宝强郁青春 秦博 [74]专利代理机构昆明慧翔专利事务所代理人周一康[51]Int.CI.C01B 33/025 (2006.01)C01B 33/037 (2006.01)权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 1 页[54]发明名称一种高纯硅的制备方法[57]摘要一种制备高纯硅的方法，使原料反应生成SiO气体达到蒸馏提纯的目的。
原料可以是各种纯度的碳还原剂，二氧化硅可以是二氧化硅矿、废弃光纤或废石英。
方法按以下几个步骤进行：(1)原料经破碎球磨后，粒度为0.30mm以下；(2)将原料置于真空炉中加热蒸发除杂；(3)将原料按比例配好，加热使物料全部反应生成SiO气体；(4)SiO气体发生歧化反应，生成B、P含量低的高纯硅和高纯二氧化硅；(5)分离二氧化硅，得到硅；(6)干燥分离后的硅；(7)用真空定向凝固炉进一步除杂，切头处理后即获得高纯硅。
制备的硅的纯度为99.9999wt％以上，B、P的含量低于0.5ppm，可以满足太阳能电池行业所需硅原料的要求。
200810233462.2权 利 要 求 书第1/1页1.一种制备高纯硅的方法，包括球磨过筛、真空高温蒸发、碳热还原、歧化、分离、干燥、真空定向凝固几个步骤，其特征是：1.1球磨：首先把原料碳还原剂和二氧化硅破碎，碳还原剂为各种纯度的碳还原剂，或为竹炭、木炭、焦煤、褐煤中的一种或几种，二氧化硅是纯度较高的硅矿、废光纤、废石英中的一种或几种，破碎后再球磨，磨成粒径0.5mm以下的粉末，然后将原料粉末分级过筛，得到粒径0.3mm以下的原料；1.2真空高温蒸发：将原料分别置于压强<1.33Pa的真空炉中，在温度>1000℃条件下保温0.1～4小时，除掉大部分饱和蒸汽压大的P、Al、S、Cl、As、Sb等杂质元素，获得P含量低的原料；1.3、碳热还原反应：将高温蒸发除杂后的碳还原剂和二氧化硅按碳：二氧化硅＝1～8:1的摩尔比混合均匀，然后将配好的物料放入高频感应炉或压强<1.33Pa真空炉中，加热到700～1800℃的温度范围内，使物料发生如下反应：C+SiO2＝SiO↑+CO ↑，使物料全部反应生成SiO气体；1.4、歧化反应：生成的SiO气体在坩埚里随着温度降低，SiO气体发生如下歧化反应：2S i O＝S i+Si O2，生成B、P含量低于0.5p pm的高纯硅和高纯二氧化硅； 1.5、分离：将反应得到的硅和二氧化硅磨成粒径0.15mm以下的粉末，在1412～1730℃的温度范围内加热，得到硅液，并使硅液和二氧化硅固体分离，得到高纯硅和高纯二氧化硅，或使反应得到的硅和二氧化硅与HF酸反应，使二氧化硅反应生成可溶的SiF4，最后得到高纯硅，如果用加热分离方式，加热温度最高为1730℃，最低为1412℃，如果用HF酸酸浸，酸的浓度在5wt％～40wt％之间，浸出时间半小时以上； 1.6、干燥：将得到的高纯硅置于真空干燥箱中干燥，真空干燥箱压强低于1000Pa，干燥温度80～120℃，干燥时间半小时以上；1.7、真空定向凝固：将干燥后得到的硅粉放入真空定向凝固炉中，在压强<5Pa、拉升速率<10cm/h、温度1420～1580℃的条件下，进行定向凝固除杂，经切头处理后即可得到纯度99.9999wt％以上，B、P含量0.5ppm以下的满足制备太阳能电池用的高纯硅。
工业制取高纯硅的化学方程式
工业制取高纯硅的化学方程式制取高纯硅的化学方程式主要有两个常用的方法，分别是化学还原法和电解法。
化学还原法（Siliconthermical reduction method）是通过将含硅矿石与还原剂（如炭粉）进行高温反应来制取高纯硅。
化学还原法的化学方程式如下：SiO2 + 2C → Si + 2CO在这个反应中，二氧化硅（SiO2）与炭粉（C）经过高温反应，生成高纯度的硅（Si）和一氧化碳（CO）。
这种方法主要用于制取电子级硅，因为硅石（SiO2）中存在着杂质（如杂质金属和非金属元素），通过反应可以将杂质与一氧化碳等气体形成挥发性的化合物，从而实现分离和提纯。
另外，还可以通过电解法（Electrolysis method）制取高纯硅，这是一种比较常用的制备电子级硅的方法。
电解法是在高温下，利用电解质内的电流通过含硅原料进行电解，从而分解出高纯度硅。
电解法的化学方程式可以表示如下：SiO2 + 2C → Si + 2COSi + 2Cl2 → SiCl4SiCl4 + 2H2 → Si + 4HCl在这个过程中，首先通过化学还原法将硅石转化为硅粉，然后将硅粉与氯气（Cl2）反应生成四氯化硅（SiCl4），最后通过与氢气（H2）的还原反应，将四氯化硅转化为高纯度硅。
制取高纯硅的参考内容有：1. 《化工技术手册》：对制备高纯硅材料的化学反应和工艺流程进行了详细的介绍和分析。
2. 《无机化学》：介绍了化学还原法和电解法两种方法制备高纯硅的化学反应和原理。
3. 《化学工艺及其自动化》：对制取高纯硅的工艺和方法进行了综合性的介绍和分析。
4. 《电镀与表面处理技术》：对电解法制备高纯硅的工艺和原理进行了深入讲解。
5. 相关学术期刊文章：通过搜索相关学术期刊，可以获取最新的研究成果，了解制备高纯硅的最新进展和方法。
以上参考内容仅供参考，如果需要具体的实验操作步骤和实验条件等信息，请参考相应的实验室操作手册和工艺规范。
高纯硅的制备
高纯硅的制备一般首先由硅石（SiO2）制得工业硅（粗硅），再制成高纯的多晶硅，最后拉制成半导体材料硅单晶。
工业上是用硅石（SiO2）和焦炭以一定比例混合，在电炉中加热至1600~1800℃而制得纯度为95%~99%的粗硅，其反应如下：SiO2+2C=Si+2CO粗硅中一般含有铁、铝、碳、硼、磷、铜等杂质，这些杂质多以硅化构成硅酸盐的形式存在，为了进一步提高工业粗硅的纯度，可采用酸浸洗法，使杂质大部分溶解（有少数的碳化硅不溶）。
其生产工艺过程是：将粗硅粉碎后，依次用盐酸、王水、（HF+H2SO4）混合酸处理，最后用蒸馏水洗至中性，烘干后可得含量为99.9%的工业粗硅。
高纯多晶硅的制备方法很多，据布完全统计有十几种，但所有的方法都是从工业硅（或称硅铁，因为含铁较多）开始，首先制取既易提纯又易分解（即还原）的含硅的中间化合物如SiCl4、SiHCl3、SiH4等，再使这些中间化合物提纯、分解或还原成高纯度的多晶硅目前我国制备高纯硅多晶硅主要采用三氯氢硅氢还原法、硅烷热解法和四氯化硅氢还原法。
一般说来，由于三氯氢硅还原法具有一定优点，目前比较广泛的被应用。
此外，由于SiH4具有易提纯的特点，因此硅烷热分解法是制备高纯硅的很有发展潜力的方法。
下面我们就分别介绍上述三种方法制备高纯硅的化学原理。
1. 三氯氢硅还原法（1）三氯氢硅的合成第一步：由硅石制取粗硅硅石（SiO2）和适量的焦炭混合，并在电炉内加热至1600~1800℃可制得纯度为95%~99%的粗硅。
其反应式如下：SiO2+3C=SiC+2CO（g）↑2SiC+SiO2=3Si+2CO（g）↑总反应式：SiO2+2C=Si+2CO（g）↑生成的硅由电炉底部放出，浇铸成锭。
用此法生产的粗硅经酸处理后，其纯度可达到99.9%。
第二步：三氯氢硅的合成三氯氢硅是由干燥的氯化氢气体和粗硅粉在合成炉中（250℃）进行合成的。
其主要反应式如下：Si+3HCl=SiHCl3+H2（g）（2）三氯氢硅的提纯由合成炉中得到的三氯氢硅往往混有硼、磷、砷、铝等杂质，并且它们是有害杂质，对单晶硅质量影响极大，必须设法除去。
高纯硅的制备
高纯硅的制备文件管理序列号：[K8UY-K9IO69-O6M243-OL889-F88688]高纯硅的制备一般首先由（SiO2）制得工业硅（粗硅），再制成高纯的，最后拉制成硅单晶。
工业上是用（SiO2）和以一定比例混合，在中加热至1600~1800℃而制得纯度为95%~99%的粗硅，其反应如下：SiO2+2C=Si+2CO粗硅中一般含有铁、铝、碳、硼、磷、铜等杂质，这些杂质多以硅化构成的形式存在，为了进一步提高工业粗硅的纯度，可采用酸浸洗法，使杂质大部分溶解（有少数的不溶）。
其生产工艺过程是：将粗碎后，依次用盐酸、、（HF+H2SO4）混合酸处理，最后用洗至中性，烘干后可得含量为99.9%的工业粗硅。
高纯的制备方法很多，据布完全统计有十几种，但所有的方法都是从工业硅（或称，因为含铁较多）开始，首先制取既易提纯又易分解（即还原）的含硅的中间化合物如SiCl4、SiHCl3、SiH4等，再使这些中间化合物提纯、分解或还原成高纯度的目前我国制备高纯硅多晶硅主要采用氢还原法、热解法和四氢还原法。
一般说来，由于还原法具有一定优点，目前比较广泛的被应用。
此外，由于SiH4具有易提纯的特点，因此热分解法是制备高纯硅的很有发展潜力的方法。
下面我们就分别介绍上述三种方法制备高纯硅的化学原理。
1. 还原法（1）三氯氢硅的合成第一步：由制取粗硅硅石（SiO2）和适量的混合，并在内加热至1600~1800℃ 可制得纯度为95%~99%的粗硅。
其反应式如下：SiO2+3C=SiC+2CO（g）↑2SiC+SiO2=3Si+2CO（g）↑总反应式： SiO2+2C=Si+2CO（g）↑生成的硅由底部放出，浇铸成锭。
用此法生产的粗硅经酸处理后，其纯度可达到99.9%。
第二步：三氯氢硅的合成三氯氢硅是由干燥的气体和粗在合成炉中（250℃）进行合成的。
其主要反应式如下：Si+3HCl=SiHCl3+H2（g）（2）三氯氢硅的提纯由合成炉中得到的三氯氢硅往往混有硼、磷、砷、铝等杂质，并且它们是有害杂质，对质量影响极大，必须设法除去。
以二氧化硅为硅源制备纯硅的方法
等 。其 中 ， 工业 硅 的纯度 一 般 为 ９ ．０ ９ ．０ ； ８ ％一 ９６ ％ 目 ７
前 超 纯 硅 可 达 到 １Ｎ 以上 。 ｌ
四氟化 硅是无 色的气 体 ， 易挥 发 ， 很 剩下 的 暗褐 色的残 渣 即是无 定形 硅 。 另 外 ．用铝 、锌 还原 二氧 化硅 也可 制得 无定 形
２１ ０ ０年第 １ ７卷 第 ６ 期
化 工生 产 与技术 Ｃ ｅ ｃｌ ｒｄ ｃ ｏ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ｈ ｍｉ ｏｕ ｔ ｎａ ｄＴ ｃ ｎｌ ｙ ａＰ ｉ ｏ
・５ ３・
以二 氧化 硅 为硅 源 制 备 纯 硅 的方 法
李 勇辉 明 大 增 李 志 祥 王 智 娟 ， 杜璐 杉 １ ， ｚ ， ２
度 的硅 ， 需 要进 行 进 一 步 的提 纯 （ 制 ） 理 。 目 则 精 处
前 ，以二 氧化 硅为 硅源 制备 纯硅 的方 法 主要有 热 还 原法 和熔 盐 电解 法 等 。其 中 ， 依据 还 原剂 的不 同 ， 热 还 原法 又 可 分 为金 属 热 还 原 法 和 非 金 属 热 还 原 法 等 ； 据共 晶熔 盐 的不 同 ， 盐 电解法 可分 为氟 化 物 依 熔
关 键 词 硅 ； 氧 化硅 ； 备 方 法 ； 盐 电解 法 ； 价 二 制 熔 评
中 图分 类 号 Ｔ １７２ Ｑ ２．
文献 标 识 码 Ａ
Ｄ Ｉ１．９％ ．ｓ． ０ — ８ ９２ １． ． ９ ０ ０３ ６ ｉ ｎ１ ６ ６ ２ ． ００ ０ ｓ ０ ０ ６０
硅 （ｉ材 料 是 微 电子 工 业 和 太 阳 能 发 电 的 基 础 Ｓ）
制备 纯硅 的方 法较 多 ， 其硅 源多 为二 氧化 硅 、 氟 硅酸 盐 、卤硅 烷及 其衍 生物 等 。硅在 自然界分 布 极
制备高纯硅的主要方法
制备高纯硅的主要方法高纯硅是指在硅材料中杂质浓度较低，通常小于1 ppm的一种纯度较高的硅材料。
高纯硅是半导体材料的重要组成部分，在光电子、电子器件和太阳能等领域有广泛应用。
制备高纯硅的方法主要有以下几种：1.股份分散法股份分散法是指通过将具有较高杂质浓度的硅材料与无机溶液反应，然后通过沉淀、过滤等步骤去除杂质。
该方法主要通过化学反应的方式去除杂质，但由于硅与无机溶液反应比较缓慢，需要较长的时间来达到高纯度的要求。
2.化学气相沉积法化学气相沉积法利用化学反应在气相中生成高纯硅材料。
该方法的原理是利用硅源气体与载气反应生成硅，在一定的温度和压力下将硅沉积在基底上。
该方法能够制备高纯度硅材料，但设备复杂，操作难度较大。
3.熔融法熔融法是指将硅材料加热至熔点，并通过熔体的凝固来制备高纯度硅材料。
该方法主要分为单晶和多晶两种。
单晶法通过在熔融硅材料中加入掺杂物，并通过控制凝固速度和结晶条件来制备单晶硅。
多晶法则是将硅材料熔化后，通过控制凝固和结晶条件来制备多晶硅。
熔融法能够制备高质量的硅材料，但设备费用高，操作复杂。
4.化学氧化法化学氧化法是通过将硅杂质与氧气反应生成氧化物，然后通过高温还原得到高纯硅材料。
该方法的原理是利用硅杂质与氧反应生成气态化合物，然后通过还原反应将化合物转化为硅。
化学氧化法能够制备高纯度硅材料，但需要高温条件和反应时间较长。
5.化学还原法化学还原法是通过利用化学反应将硅杂质还原为金属硅。
该方法的原理是在高温条件下，将硅杂质与还原剂反应生成金属硅。
化学还原法不能够制备高纯度硅材料，但操作简单，成本较低。
综上所述，制备高纯硅的主要方法有股份分散法、化学气相沉积法、熔融法、化学氧化法和化学还原法。
这些方法各有优缺点，可以根据具体要求选择适合的方法来制备高纯度硅材料。
制高纯硅的化学方程式-解释说明
制高纯硅的化学方程式-概述说明以及解释1.引言1.1 概述制备高纯硅是一项重要的化学工艺，高纯硅在电子、光伏、半导体和其他领域具有广泛应用。
本文将介绍制备高纯硅的方法和相关化学方程式，并探讨其在不同领域的应用。
通过深入了解高纯硅的制备和应用，可以为相关行业提供参考和指导，促进产业技术的进步和发展。
内容1.2 文章结构本文将首先介绍制备高纯硅的方法，包括传统的化学还原法、气相法和物理方法等。
然后详细讨论制备高纯硅时所涉及的化学方程式，包括反应物、生成物以及反应条件等。
最后，将探讨高纯硅在应用领域的广泛用途，如半导体制造、光伏产业和化工领域。
通过对这些内容的分析，我们可以更好地了解高纯硅的制备方法和应用价值。
1.3 目的：本文旨在探讨制备高纯硅的化学方程式，介绍制备高纯硅的方法以及其在应用领域的重要性。
通过对化学方程式的详细讲解和分析，让读者对高纯硅的制备过程有更深入的了解，同时展望高纯硅在未来的发展前景。
希望通过本文的阐述，能够让读者对高纯硅有更全面的认识，对相关领域的研究和实践有所帮助。
2.正文2.1 制备高纯硅的方法制备高纯硅主要有两种常用的方法，一种是通过硅矿石还原法，另一种是通过硅烷化合物加热分解法。
硅矿石还原法是将硅矿石与焦炭或木炭在高温下进行还原反应，得到冶炼的金属硅，然后再通过化学纯化的方法得到高纯度硅。
这种方法主要用于工业生产中，能够获得较高纯度的硅，但成本较高且工艺较为复杂。
硅烷化合物加热分解法是指利用硅烷类化合物（如三氯硅烷、氢氯硅烷）作为原料，经过氢化后得到高纯度的硅。
这种方法相对来说工艺简单，成本较低，适合实验室小规模制备高纯硅。
除了以上两种常用方法外，还有一些其他制备方法，如溅射法、气相淀积法等，这些方法在特定领域有着独特的应用优势。
总的来说，制备高纯硅的方法有多种多样，选择合适的方法取决于具体的需求和应用场景。
随着技术的不断发展，相信会有更多更高效的制备方法被研发出来。
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在体系的温度下（850℃）电解产物Si是导体，具有导电性；反应得 到的导电硅与未反应的二氧化硅又成了新的交界面，从而使反应的线状 区域不断向二氧化硅内部推移，从而使二氧化硅的材料整体都变成了硅。
值得注意的是，当原有二氧化硅被还原为单质硅时，氧离子移出 并向正极移动，由于体积的明显缩小，电解产生的硅颗粒间会有大量 空隙，这些空隙可以使熔融电解质流入，从而使反应界面的氧离子可 以方便的迁移到熔融电解质中，进而向正极迁移，完成电荷转移。
2003年Nature.Materials报道了题为“Pinpoint and bulk electrochemical reduction of insulating silicon dioxide to silicon”的成果。
1V, @850℃ melting CaCl2 for 1h.
电解前（透明板为石英， 金属丝为钨丝）
二氧化硅电解法一步制备高纯硅
宋阳 10300220116
通常，工业上制备高纯硅的方法为高温碳还原法：
SiO2 3C 16001800C SiC 2CO 2SiC SiO2 3Si 2CO
纯化方法有： 化学法：三氯氢硅氢还原法
Si 3HCl 280300C SiHCl3 H 2 SiHCl3 H 2 1100C Si 3HCl
电解过程的发生一定要求电极本身在某种状况下具有导电性吗？
研究人员认为，该体系中负极的电荷传递过程不是发生在导电电极 和熔融电解质两相的相界面，而是发生在导电电极（钨丝）、工作电极 （石英）、熔融电解质（熔融氯化钙，熔融状态下氧离子在其中的溶解 度较大，有利于离子的迁移）三相界面。
物理模型如下：当石英的的某一点与导体接触，就可以让导体传 输电子到其上；当这个点又同时接触融盐，就可以与融盐再发生电子 转移，于是就通过导体---石英---熔盐三相交接区域发生了反应。绝缘 材料这样的导电区域，只能是点或线形态。
另外，如左图所示，反应 的横向进度明显快于纵向。由 此可知，虽然随着反应的进行 反应边界逐渐扩大，但由于电 解质缝隙狭窄增加了融盐对的 电阻率，而横向上的电解质电 阻较小，导致横向的反应速度 较快。
这就实现了“绝缘体被电解”的令人惊奇的现象，也打破了人 们长久以来的认识误区，证明在合适的条件下绝缘体也是可以导电 而被电解的。
物理法：冶金法
分凝除杂 真空高温蒸发除杂
真空氧化除杂
酸浸除杂 造渣除杂
如果可以直接电解高纯二氧化硅制备高纯硅，将可以避免由于高温 碳还原引入杂质从而大大减少后续繁琐的提纯工序。
然而一直以来，人们普遍认为只有具有一定导电性的材料才可用做电 极材料，而二氧化硅是“相当绝缘”的绝缘体，因此似乎把二氧化硅作为 工作电极电解制备高纯硅的想法不可能实现。
电解后，已除去钨丝（XRD 结果表明其主要成分为Si）
TOSHIYUKI NOHIRA, NATURE MATER. , 2003, 397-401
绝缘的二氧化硅是如何实现电荷传递的呢？
想到在这之前有关电解二氧化钛制备金属钛的机理已被了解。常温 下严格化学计量的二氧化钛电导率非常低＜10-10s/m，属于绝缘体范围。 而当二氧化钛失去少量氧时如TiO1.9995的电导率却有10-1s/m，原因是 少量氧的缺失使氧化钛向一种导电相转变。所以电解过程在经历初始 短暂的迟滞后，电解电流迅速增加，电解过程得以流畅进行。然而， 研究表明二氧化硅并不存在这种导电相。