超临界流体制备高纯度硅的方法与流程

本发明涉及高纯硅材料的制备方法，具体说是采用超临界流体制备高纯硅的方法。

背景技术：

本发明涉及用于电子信息领域和新能源光伏领域的高纯硅基础材料的制备。众所周知，高纯硅的品质和成本，决定了电子级与太阳能级硅材料的应用价值，进而影响到高纯硅在电子领域和太阳能领域的市场前景。

据统计，目前制备高纯硅的方法有十几种，主要为三种：1.三氯氢硅法；2.硅烷热解法；3.四氯化硅还原法。但所有方法都是从工业硅(金属硅)开始，经化学合成、精馏提纯和还原处理等一系列工艺最终制备出符合标准要求的高纯硅材料，工序复杂，耗时长，成本高，制备过程污染大，且有安全隐患。

本发明的目的是寻求一种高效、简约化制备高纯硅的方法，采用超临界流体制备高纯硅与其他方法完全不同的是，以无毒无害的h2o为介质于超临界状态下，对原料中的进行处理，以达到硅还原的同时其中的杂质完全被溶解并与硅分离的目的，避免了有毒气体氯化氢、氯气等的处理方式，同时免除了低效的精馏过程。整个制备过程高效，无任何污染且无安全隐患，所制备的高纯硅净度可达6n以上。

技术实现要素：

本发明提供了一种以超临界流体为媒介，在氢气作用下制备高纯硅的方法。

本发明的原理为：

已知能融化多金属和非金属性质硅物质最好的介质是超临界水(scw)。在通常情况下，水(h2o)属极性溶剂，可以溶解包括盐类在内的大多数电解质。但常温常压下的水，对所有金属几乎无任何溶解力。但是如果将水的温度和压力升高到临界点(374.3℃和22.1mpa)以上，则会处于一种既不同于液态和气态的新状态-超临界态，处于该状态的水即称为超临界水。在超临界条件下，水的性质发生了极大的变化，其密度、介电常数、黏度、扩散系数、电导率和溶解性能都不同于普通水。

raman光谱结果表明，在超临界状态下水中只剩下少部分氢键，意味着水的行为与非极性压缩气体相近，而溶剂性质与低极性有机物相似，此时，非极性有机物在水中的溶解度很高。在500℃以上和30mpa以上压力下，超细的金属物包括硅会被超临界水混合，成为超临界混合流体，混于超临界流体相的多金属和硅处于超分子分散状态，此时金属与硅不会被溶解但会被融化及氢气作用下还原，由于范德华力的作用，金属包括硅迅速集聚成为晶体单质，分别沉积于反应器底部。无机盐类由于被溶解性极微，也沉积于反应器底部，而有机物、气体等被超临界水充分溶解，随超临界水和h2一起自反应器上部分离。整体反应过程的反应时间极短，反应效率极高。

反应式：

硅原料中含有的多金属、非金属、无机盐有机物和氧元素等可全部被分解分离，二氧化硅被还原成高纯硅单质。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：(1)将硅原料与水配比2∶1，并加温500℃-600℃，加压25mpa-35mpa，反应时间1min-3min。(2)在反应过程中加入h2，超临界流体与h2的质量配比为3∶1.(3)整体制备反应过程是在密闭的反应器中聚集和沉积的过程，同时作为介质的超临界水与未参加反应的h2一起被分离出反应器。

附图说明

图1是本发明的反应过程及反应装置示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步说明：

(1)将sio2原料置容器1中与水混合配比为2∶1，形成流动性较好的浆体，送于高压泵2进行增压，压力25-35mpa。经预热器3进行预热，预热温度150-300℃。预热后进入反应罐5中。同时启动氢气增压系统，将h2储罐7中的h2经增压泵6增压至25-35mpa进入反应罐5中。

(2)进入反应罐5中的原料水浆与氢气混合后，混合比例(质量分数)为3∶1，在反应罐加热套4的加热条件下，温度达到t＝500-600℃，压力p＝25-35mpa，形成超临界混合流体。同时上升至罐体上部发生还原和去杂反应。反应时sio2中的氧被h2置换出来，si及其他金属同时被还原，反应过程产生氢热，进一步提高了反应温度(压力也提高)。被还原的硅发生分子聚集，形成晶体si单质。同时，其他金属同样发生还原，与非同类金属和si分离，并一起沉积于反应罐5底部自出口排出。

原料中含有的无机盐物质，不被超临界流体溶解，而随si和多金属单质一起沉积于反应罐5底部自出口排出。

反应后的有机物、h2和其他气体一同溶解于超临界流体中，自反应器上部分离。

整个反应时间为1-3min。

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