ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИИ, 2004, том 38, № 5, с. 391-392
УДК 539.21
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
Плазмохимия
СИНТЕЗ НАНОРАЗМЕРНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ В ЦЕПНОМ ПЛАЗМОХИМИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ
© 2004 г. Г. Е. Ремнев, А. И. Пушкарев
ГНУ НИИ высоких напряжений при Томском политехническом университете 634050, Томск, просп. Ленина, 2а
E-mail: aipush@mail.ru Поступила в редакцию 22.10.2003 г.
Одна из актуальных проблем, которую нужно решить при развитии современных технологий в химической промышленности, металлургии и др. отраслях производства, - повышение производительности оборудования при снижении удельного энергопотребления. В химическом производстве рост производительности достигается, в основном, за счет повышения температуры в реакционной зоне. Но нагрев зоны реакции и реагентов при увеличении температуры требует экспоненциального увеличения энергии. Перспективный путь развития - использование неравновесных процессов, позволяющих, кроме снижения энергозатрат, значительно упростить закалку (стабилизацию) продуктов химического процесса [1]. Условия, реализуемые при импульсном возбуждении газовых смесей, благоприятны также для организации цепных химических процессов, снижающих внешние энергозатраты [2, 3]. Ранее был выполнен цикл работ по конверсии тетра-хлорида кремния (в смеси с водородом и аргоном) в другие продукты реакции при воздействии импульсного электронного пучка [4-6]. Внешние энергозатраты электронного пучка на диссоциацию SiCl4 составили 1.9 эВ/молекула (или 180 кДж/моль, оценка сверху, не учитывающая потерь энергии электронного пучка на возбуждение аргона и водорода), что существенно меньше энергии диссоциации тетрахлорида кремния, равной 6.6 эВ/мо-лекула. [7].
В настоящей работе для исследования синтеза диоксида кремния в состав исходной смеси был введен молекулярный кислород. Работы выполнены с использованием специализированного импульсного электронного ускорителя, разработанного для проведения исследований по инициированию плазмохимических процессов [8]. Параметры электронного пучка в настоящих экспериментах были следующими: энергия электронов варьировалась в диапазоне 350-500 кэВ, длительность импульса на полувысоте 60 нс, энергия выделяемая пучком в реакторе 100-200 Дж, диаметр пучка 5 см. Электронный пучок инжектировался в замкнутый реактор (цилиндр из нержавеющей
стали с внутренним диаметром 9 см и объемом 1.6 л) через анодную фольгу (А1 130 мкм). Реактор предварительно откачивался до давления ниже 1 Па, а затем заполнялся смесью газов, давление контролировалось малоинерционным датчиком давления [9].
Импульсный электронный пучок инициировал реакцию окисления водорода, которая сопровождалась образованием значительного количества радикалов ОН и Н. Для смеси 1.8 х 104 Па 02 + + 2.7 х 104 Па Н2 + 1.5 мл 8Ю4 полное разложение тетрахлорида кремния происходило после однократного воздействия электронного пучка. При энергии, переносимой импульсным электронным пучком -100 Дж, удельные энергозатраты электронного пучка, которые потребовались для синтеза диоксида кремния из тетрахлорида кремния составили 2.2 кДж/моль.
Процесс разложения тетрахлорида кремния в смеси с водородом и кислородом при инжекции импульсного электронного пучка носил взрывной характер. Вместе с наличием нижнего предела воспламенения реагентной смеси и удельными энергозатратами, существенно меньшими энергии диссоциации тетрахлорида кремния, это указывает на цепной разветвленный характер процесса синтеза диоксида кремния при разложении 8Ю14. Анализ состава образующегося порошка методом резерфордовского обратного рассеяния показал, что на 99.76% (в атомных процентах) он состоит из 8Юх при х = 1.76. Важно отметить полное отсутствие (в пределах чувствительности прибора) хлора в образующемся твердом продукте. При получении порошка диоксида кремния на лабораторном стенде полные энергозатраты составили 360-540 кДж/кг.
При разложении тетрахлорида кремния в цепном плазмохимическом процессе, инициируемом импульсным электронным пучком, образуется на-но-дисперсный порошок диоксида кремния. На рисунке приведена фотография частиц порошка, полученная на просвечивающем электронном микроскопе после однократного воздействия пучка.
392
РЕМНЕВ, ПУШКАРЕВ
(a)
40
20
(б)
/
№ 25161 mean 25.5 nm sd = 8.8
\
20 HM ^,10,15,20,25,30,35,40,45l
Фотография ультрадисперсного порошка диоксида кремния, полученная на просвечивающем электронном микроскопе (а) и гистограмма распределения геометрических размеров порошка (б).
Средний размер частиц составляет 20-25 нм. Удельная площадь поверхности, измеренная по методу БЭТ, составила 42 м2/г. Анализ микродифракции электронного пучка показал, что в данных условиях формируются аморфные частицы диоксида кремния.
Импульсный плазмохимический цепной процесс синтеза наноразмерных частиц диоксида кремния имеет существенно более низкие удельные затраты энергии по сравнению с методами абляции. При испарении мишени, например, излучением С02-ла-зера с последующей конденсацией паров в потоке рабочего газа [10] затраты энергии излучения составили 9 х 104 кДж/кг.
Организация цепного плазмохимического процесса при синтезе нано-дисперсного диоксида кремния позволяет обеспечить высокую производительность при достаточно высокой однородности порошка по размерам и составу. Как и большинство плазмохимических методов, разработанный способ синтеза достаточно универсален и позволяет получать оксиды различных веществ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Русанов В.Д., Фридман A.A. Физика химически активной плазмы. М.: Наука, 1984.
2. Бабарицкий А.И., Баранов И.Е., Демкин C.A., Животов В.К., Потапкин Б.В., Русанов В.Д., Рязан-
цев Е.И., Этиван К. // Химия высоких энергий. 1999. Т. 3. № 6. С. 458.
3. Кондратьев В Н., Никитин Е.Е. Химические процессы в газах. М.: Наука, 1981.
4. Ремнев Г.Е., Пушкарев А.И., Пушкарев М.А., Кра-сильников В.А., Гузеева Т.И. // Изв. вузов. Физика.
2001. № 5. С. 33.
5. Remnev G.E., Pushkarev A.I., Pushkarev M.A., Kuznets-ov F.A., Reznitchenko M.F. // Proceedings of 3rd International Symposium on Pulsed Power and Plasma Applications (ISPP2002). China, 2002.
6. Ремнев Г.Е., Пушкарев А.И., Пушкарев М.А., Кузнецов Ф.А., Резниченко М.Ф. // Тезисы докладов 3 Российской конференции по материаловедению и физико-химическим основам технологий получения легированных кристаллов кремния и приборных структур на их основе "Кремний - 2003" М.: МИСиС, 2003. С. 360.
7. Лапидус И.И., Нисельсон Л.А. Тетрахлорсилан и трихлорсилан. М.: Химия, 1970.
8. Ремнев Г.Е., Фурман Э.Г., Пушкарев А.И., Карпу-зов С Б., Кондратьев НА, Гончаров Д.В. // Приборы и техника эксперимента. 2004. № 2.
9. Пушкарев А.И., Пушкарев М.А., Ремнев Г.Е. // Акуст. журн. 2002. Т. 48. № 2. С. 260.
10. Котов Ю.А., Осипов В В., Иванов М.Г., Сама-тов О.М., Платонов В В., Азаркевич Е.И., Мурза-каев А.М., Медведев А.И. // Журн. техн. физики.
2002. Т. 72. Вып.11. С. 76.
HM
ХИМИЯ ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ том 38 < 5 2004
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.