《熔鹽電解可控制備納米半導體(Si, Ge)粉體的基礎研究》是依託武漢大學，由肖巍擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：熔鹽電解可控制備納米半導體(Si, Ge)粉體的基礎研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：肖巍
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
在氯化物熔鹽中電化學還原固態氧化物是節能環保的半導體粉體的製備新方法。但是，目前對於這一新方法反應機理的認識還比較有限，其中氧化物前驅物的電化學還原被認為主要是一個固相（如二氧化矽）到固相（如矽）的過程。而本課題組初期的理論和實驗研究表明，固態二氧化矽在氯化鈣熔鹽中的電化學還原過程中存在著溶解-沉積這一涉及液態的過程，即在電化學界面原位離子化的氧和二氧化矽化合生成矽酸鈣，而矽酸鈣可以溶解在熔鹽中並被電化學還原為矽。本項目圍繞熔鹽電解固態氧化物時原位微區中的液態過程這一關鍵的科學問題，探索實現電解產物的納米結構和電解能量效率調控的途徑，以期加深對熔鹽電解固態化合物這一普適的材料製備新方法以及絕緣固態化合物電極的電化學反應機理的基本認識，並為開發基於熔鹽電沉積法的半導體粉體的可連續化生產工藝提供理論指導。
結題摘要
在氯化鈣熔鹽中電化學還原固態氧化物是節能環保的矽鍺粉體製備新方法。但是反應機理、產物純度/微結構控制關鍵參數和產物性能特徵還有待研究。本項目系統研究了在氯化物熔鹽中電解固態二氧化矽或二氧化鍺陰極過程中的反應機制，取得了如下結果： （1）確認了熔鹽電解固態二氧化矽過程中的溶解-電沉積機制，即原位電脫氧產生的氧離子與固態二氧化矽化合生成矽酸根，矽酸根溶解於氯化物熔鹽後在陰極電沉積還原生成矽。豐富了主流科學界對這一過程的認識，為開發我國自主智慧財產權的矽鍺製備新技術提供了科學基礎。實驗還表明，溶解-電沉積機制也存在於熔鹽電解固態二氧化鍺製備鍺的陰極過程中。（2）揭示了電極電位對電解能量效率和產物純度的影響規律。較低的過電位下陰極中原位生成的矽酸鹽不能被電解還原，造成產物中矽酸鹽殘留；且矽酸鹽導電性不佳，此時電解能量效率較低。在高過電位下電解會發生氯化鈣熔鹽中鈣離子在電解生成矽表面的欠電勢沉積，生成矽鈣合金，降低了電解能量效率和產物純度。適宜的製備單質矽的電解電位範圍是了-0.6到-0.95 V (vs. Ag/AgCl)，最佳化條件下電解製備矽的電解能耗低於13 kWh (kg Si)-1, 產物純度高於99%。 （3）揭示了熔鹽電解製備納米矽或鍺粉體的機制，確認了電極電位和前驅物孔隙率是調控產物納米微觀結構的關鍵參數。前驅物孔隙率較大時有利於得到矽或鍺納米線，孔隙率較小時易於得到納米顆粒。電解過電位較低時有利於得到納米線，過電位較高時易於得到納米顆粒。上述結果有利於熔鹽電解可控制備納米矽鍺粉體，提高了電解產物的附加值。 （4）首次通過“還原-合金化-脫合金化”方法，以熔鹽電解固態二氧化鍺成功製備了多孔納米鍺粉體材料。即在氯化物熔鹽中電解還原二氧化鍺為金屬鍺，隨後在更負的電位下使熔鹽中陽離子嵌入電解原位生成的金屬鍺形成鍺基合金；最後在常溫下將電解製備的鍺基合金在水中脫合金，得到納米多孔鍺。上述結果是國內外首次通過熔鹽電解固態化合物製備納米多孔材料，進一步提高了電解產物的附加值。 （5）對電解製備的矽或鍺納米線和納米顆粒以及多孔鍺的電化學儲鋰和光學性能進行了初步研究，為電解產物在光學和電化學器件中的套用提供了科學數據。
