eng
Выпуск #5/2018
Б.Грибов, К.Зиновьев, О.Калашник, Н.Герасименко, Д.Смирнов, В.Суханов, Л.Суханова, В.Четвериков
Получение водорода для топливных элементов с использованием тонкодисперсного кремния
Получение водорода для топливных элементов с использованием тонкодисперсного кремния
Просмотры: 3238
Развитие водородной энергетики обуславливает рост интереса к созданию химических генераторов водорода. В работе рассматривается перспектива использования в таких генераторах тонкодисперсного кремния. В частности, подходящими и дешевыми материалами для получения водорода при взаимодействии со слабощелочным раствором КОН могут служить отходы производства высокочистого монокристаллического и поликристаллического кремния, а также технический кремний. Исследования изменения скорости и теплового эффекта реакции в зависимости от ее времени, параметров порошка кремния и соотношения исходных компонентов раствора позволили установить, что при одинаковом размере частиц порошка удельная скорость генерации водорода мало зависит от метода получения кремния, кристаллической структуры и содержания примесей. Основным фактором, влияющим на интенсивность химической реакции, является размер частиц порошка. На основании исследования разработаны рекомендации по выбору порошков поликристаллического и монокристаллического кремния для практического использования в автономных химических генераторах водорода.
УДК 661.961; ВАК 02.00.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.84.5.370.378
УДК 661.961; ВАК 02.00.01; DOI: 10.22184/1993-8578.2018.84.5.370.378
Теги: chemical hydrogen generator hydrogen energy monocrystalline and polycrystalline silicon водородная энергетика монокристаллический и поликристаллический кремний химический генератор водорода
В последнее время в связи с развитием водородной энергетики растет интерес к материалам, которые могут использоваться в химических генераторах водорода различного типа и назначения. Портативные химические генераторы водорода в комплекте с малогабаритными топливными элементами и аккумуляторной батареей способны функционировать в качестве альтернативных источников питания электронных устройств в полевых условиях. Работа таких генераторов основана на термическом разложении гидридов или реакции металлов и гидридов с водой. Получение водорода в заданных объемах возможно также при взаимодействии тонкодисперсного кремния с водой. В ряде работ это взаимодействие исследовалось для нахождения наиболее активной формы кремниевого порошка [1–4].
В работе [4] было показано, что частицы нанокристаллического кремния размером около 10 нм активно реагируют с водой, содержащей КОН, образуя водород и кремниевую кислоту. При этом скорость процесса превышает значения для известных систем, генерирующих водород (например, гидридных). Однако практическое использование таких наночастиц для генерации водорода проблематично из-за их высокой стоимости. Кроме того, слишком активное взаимодействие реагентов может затруднять управление процессом.
Целью настоящей работы является поиск и исследование кремниевых материалов, пригодных для практического применения в портативных химических генераторах водорода. Весьма подходящим и дешевым материалом могут служить отходы производства высокочистого монокристаллического и поликристаллического кремния, а также технический кремний – поликристаллический кремний низкой степени чистоты [5, 6].
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Технический (металлургический) кремний выпускается в России и за рубежом в промышленных масштабах и имеет относительно низкую стоимость. Порошок технического кремния марок Кр0 и Кр1 используется как сырьевой материал для получения силанов и производства высокочистого кремния.
В настоящей работе основным объектом исследования являлся порошок поликристаллического технического кремния марки КР0 с размером частиц 40 мкм. Исследовались также другие кремниевые порошки с целью расширения диапазона подходящих к использованию материалов, в частности порошки, полученные из отходов высокочистого кремния. Характеристики всех порошков приведены в табл.1.
При реализации эксперимента порции порошка взвешивались с точностью 0,05 г и помещались в стеклянную колбу, куда затем заливался водный раствор КОН объемом 75 мл. Колба быстро закрывалась пробкой с газоотводной трубкой, конец которой подводился под мерный цилиндр, наполненный водой. Объем водорода, генерируемый при химической реакции в колбе, определялся по объему воды, вытесняемой из мерного цилиндра. Погрешность определения объема составляла ±5 мл. Температура раствора в колбе измерялась лабораторным термометром с точностью 0,5 °С.
Интенсивность взаимодействия порошка кремния с водой в щелочной среде и, соответственно, характер генерации водорода прямо зависят от массы порошка и концентрации КОН в растворе (при его постоянном объеме). Масса порошка составляла 0,4–1,2 г, а концентрация КОН находилась в интервале 0,25–4%, что позволяло работать с небольшими объемами водорода и малоагрессивными растворами.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКА КР0
На рис.1 и рис.2 приведены зависимости объема генерации водорода от времени реакции для растворов с различной концентрацией исходных компонентов. Из рис.1 следует, что при концентрации КОН 0,25% реакция практически не идет, но уже при концентрации КОН 0,5% взаимодействие имеет место, хотя его интенсивность весьма низка. Увеличение концентрации КОН быстро повышает интенсивность реакции, поэтому верхний предел был ограничен величиной 2% КОН.
Анализ кривых на рис.2 показывает, что для всех значений массы кремния (mSi) наибольшая интенсивность реакции наблюдается на начальном этапе. Если условно ограничить начальный этап 5 минутами (300 с), то за это время будет выделено в среднем 52% от теоретически возможного объема водорода для всех указанных значений mSi. Далее интенсивность реакции постепенно снижается из-за расхода реагента (Si): на втором этапе (5–10 мин) выделяется 26–28%, а на третьем (10–15 мин) – менее 10% от теоретически возможного. Последующие этапы уже не представляют интереса из-за малых объемов водорода, хотя реакция может продолжаться более 30 мин, и общий объем генерации может достигать 90–94% от теоретического.
Наибольший интерес представляет первый этап реакции (0–5 мин), где все зависимости близки по форме к прямым, исходящим из начала координат, а их наклон к оси абсцисс характеризует скорость генерации водорода (объем H2, выделяемого в единицу времени). При увеличении исходной массы кремния объем выделения водорода растет очень быстро и прямо пропорционально mSi. В табл.2 приведены значения скорости генерации H2 на первом этапе.
В качестве характеристики конкретного вида порошка кремния в литературе по данной тематике используется термин "удельная скорость генерации водорода", то есть скорость, отнесенная к единице массы – одному грамму кремния [4]. В табл.2 приведены величины удельной скорости, вычисленные для значений mSi, указанных на рис.2. Эти величины очень близки – среднеарифметическое значение составляет 166 мл с разбросом ±3,5%.
Если увеличивать навеску порошка mSi выше 1,2 г, то скорость генерации Н2 также будет пропорционально увеличиваться до определенного предела, который можно считать максимальной скоростью для данного объема раствора (75 мл). Дело в том, что реакция кремния с водой в щелочной среде является экзотермической и быстро приводит к значительному разогреву раствора. Для оценки влияния массы кремния на величину теплового эффекта проводились измерения температуры раствора до начала реакции и в ее ходе. Результаты измерений приведены в табл.3.
На основании полученных данных можно сделать вывод, что навески порошка Si более 2 г использовать не желательно, так как они могут довести температуру раствора до точки кипения. Но даже при навеске Si более 1,7 г быстрый разогрев раствора и бурное газовыделение приводят к тому, что часть порошка выносится на поверхность, и происходит разбрызгивание капель раствора с частицами порошка. Таким образом, максимальную навеску кремния целесообразно ограничить величиной 1,5–1,6 г.
Для практического применения требуется не менее 10–15 л водорода, поэтому должны использоваться повышенные навески порошка кремния. Чтобы избежать перегрева реакционной массы, можно увеличивать объем щелочного раствора. Вода в данном процессе выполняет роль не только источника водорода, но и реакционной среды. По стехиометрии на 1 г Si требуется не более 2,6 мл Н2О [4], а многократный избыток воды необходим для растворения продукта реакции (кремниевой кислоты) и охлаждения раствора. Проведенные эксперименты указывают на возможность увеличения объема раствора в несколько раз, например, до 200 мл. Увеличение объема на порядок и более требует дополнительного исследования, поскольку могут возникнуть проблемы, связанные с большим объемом водорода и повышением давления в реакционном сосуде.
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ ПОРОШКОВ
В настоящей работе мы не ограничились исследованием одного вида кремниевого порошка, но опробовали также альтернативные варианты. В их числе порошки, полученные из отходов монокристаллического кремния (остатков после вырезки марочного монокристалла из слитка) и промежуточных или побочных продуктов пиролиза моносилана [7,8] (такой порошок обычно непригоден для получения слитков кремния из-за быстрого окисления на воздухе). Оба варианта можно рассматривать как способ утилизации отходов производства высокочистого кремния.
В качестве третьей альтернативы был опробован порошок технического кремния с размером частиц менее 10 мкм. Известно, что измельчение материала до частиц размером не более 10 мкм может создавать эффект активации при некоторых химических процессах [9]. Чтобы определить влияние этого фактора на интенсивность генерации водорода, проводилось сравнение порошков, полученных из одного и того же материала – технического кремния, но отличающихся размером частиц.
Указанные порошки испытывались по методике, описанной выше, при постоянных параметрах: масса порошка – 0,5 г; концентрация КОН – 2 %; объем раствора – 75 мл. Результаты испытаний, а также сравнительные литературные данные приведены в табл.1, где указаны основные характеристики порошков и соответствующие величины удельной скорости генерации водорода.
Анализ данных табл.1 показывает, что порошок монокристаллического кремния с размером частиц 40 мкм по интенсивности генерации водорода близок к порошку поликристаллического кремния такой же крупности. При этом экспериментальные результаты хорошо соответствуют литературным данным.
Порошок поликристаллического кремния с частицами меньшего размера характеризуется более высокой интенсивностью генерации водорода, но меньшей, чем можно было ожидать, исходя из значения его удельной поверхности. То же самое относится и к порошку кремния, полученному пиролизом. По-видимому, указанный эффект связан с особенностями поведения очень мелкого порошка кремния в растворе при высокой скорости генерации Н2, то есть с выносом частиц порошка на поверхность и их агрегацией. Другой причиной несоответствия реальной скорости генерации Н2 ожидаемой (с точки зрения степени уменьшения размеров частиц) может быть окисление частиц на воздухе.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
По результатам испытаний всех порошков кремния можно заключить, что при одинаковом размере частиц удельная скорость генерации водорода мало зависит от метода получения Si, кристаллической структуры и содержания примесей. Размер частиц является основным фактором, влияющим на интенсивность химической реакции, поэтому его уменьшение позволяет соответственно увеличить скорость генерации водорода. Однако, следует заметить, что генерация водорода в системе "генератор-топливный элемент-аккумулятор" имеет конечной целью зарядку аккумулятора, а этот процесс, как правило, требует длительного времени. Поэтому для практического использования длительная и стабильная работа химического генератора гораздо важнее, чем скорость генерации водорода. Кроме того, использование тонкодисперсных порошков невыгодно экономически, так как их стоимость обратно пропорциональна размеру частиц.
По указанным причинам применение порошков кремния с размером частиц менее 40 мкм в химических генераторах водорода нецелесообразно. При этом порошки с размером частиц более 40 мкм необходимы при значительных величинах mSi.
Порошкообразный кремний является безопасным, нейтральным и дешевым материалом для генерации водорода, выгодно отличаясь от гидридов – опасных, разлагающихся на воздухе и дорогих. Предполагается, что можно использовать кремний, содержащий значительную долю примесей, так как практически все они при реакции кремния с водой останутся в растворе.
На основании проведенной работы, порошки поликристаллического и монокристаллического кремния размером 40 мкм и более можно рекомендовать для практического использования в автономных химических генераторах водорода. Такие порошки обеспечивают получение Н2 в объеме более 1,2 л на 1 г кремния за короткое время (около 10 мин). Исходя из этого, можно рассчитать количество порошка, необходимого для получения заданного объема водорода за определенный промежуток времени.
Масса кремниевого порошка и его крупность оказывают значительное влияние на скорость генерации Н2, поэтому целесообразно при больших загрузках кремния использовать порошки размером частиц более 40 мкм. С другой стороны, автономные химические генераторы в настоящее время позволяют весьма точно регулировать и ход реакции получения водорода, и его подачу потребителям. В качестве последних рассматриваются малогабаритные топливные элементы, которые обеспечивают подзарядку аккумуляторов или прямое питание мобильных телефонов и других электронных устройств в полевых условиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследованы процессы получения водорода реакцией порошкообразного кремния с водой в слабощелочной среде. Установлены зависимости объема генерации водорода от времени реакции, параметров порошка кремния и соотношения исходных компонентов раствора. Химическая активность кремниевого порошка оценивалась по удельной скорости генерации водорода и тепловому эффекту реакции. Выявлены основные ограничения, связанные с максимальной массой кремния в растворе и размером частиц порошка. Показана перспективность практического использования исследованных порошков кремния в химических генераторах водорода.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Goller В., Kоvalev D., Sreseli О. Nanotechnology. 2011. 22. 305402.
2. Zhan С.Y., Сhu Р.К., Ren D., Xin Y.C., Huo К.F., Zou Y., Huang N.K. Int. J. Hydrogen Energy. 2011. 36 (7). 4513–4517.
3. Kale Р., Gangal A.C., Edla R., Sharma P. Int. J. Hydrogen Energy. 2012. 37 (4). 3741–3747.
4. Erogbogbo F., Lin T., Tucciarone P.M., LaJoie K.M., Patki G.D., Prasad P.N., Swihart M.T. On-demand hydrogen generation using nanosilicon: splitting water without light, heat, or electricity. Nano Lett. 2013. 13. 451–456.
5. Баранов К.В., Жданов В.Б., Сырычко В.В., Гринберг Е.Е., Левин Ю.И., Сеник Б.Н., Беляков А.В. Некоторые возможности использования отходов производства солнечного кремния // Химическая промышленность сегодня. № 5. 2007. С. 17–21.
Baranov K.V., Zhdanov V.B., Syrychko V.V., Grinberg Ye.Ye., Levin Yu.I., Senik B.N., Belyakov A.V. Nekotoryye vozmozhnosti ispol’zovaniya otkhodov proizvodstva solnechnogo kremniya. Chemical Industry Today. No. 5. 2007. P. 17–21. ([n Russian).
6. Фалькевич Э.С., Пульнер Э.О., Червоный И.Ф. Технология полупроводникового кремния. М.: Металлургия. 1992. [In Russian].
Fal’kevich E.S., Pul’ner E.O., Chervonyy I.F. Tekhnologiya poluprovodnikovogo kremniya. M.: Metallurgiya. 1992. (Russian).
7. Miller A., Sonnenshein R. et al. New process for cost effective solar grade silicon for silane. 20th Europ. PVSEC. 2005. P. 565–568.
8. Федотов В.М., Романов В.В. Способ переплавки кремниевой пыли. Патент РФ №2097319 С1. 1997. (Бюлл. №33).
Fedotov V.M., Romanov V.V. Method for remelting silicon dust. RU2097319C1. 1997.
9. Строгова А., Ковалевский А. Микро- и нанодисперсные порошки кремния. Свойства и использование. LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 260 c.
Strogova A., Kovalevskiy A. Mikro- i nanodispersnyye poroshki kremniya. Svoystva i ispol’zovaniye. LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 260 p. (In Russian).
В работе [4] было показано, что частицы нанокристаллического кремния размером около 10 нм активно реагируют с водой, содержащей КОН, образуя водород и кремниевую кислоту. При этом скорость процесса превышает значения для известных систем, генерирующих водород (например, гидридных). Однако практическое использование таких наночастиц для генерации водорода проблематично из-за их высокой стоимости. Кроме того, слишком активное взаимодействие реагентов может затруднять управление процессом.
Целью настоящей работы является поиск и исследование кремниевых материалов, пригодных для практического применения в портативных химических генераторах водорода. Весьма подходящим и дешевым материалом могут служить отходы производства высокочистого монокристаллического и поликристаллического кремния, а также технический кремний – поликристаллический кремний низкой степени чистоты [5, 6].
УСЛОВИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА
Технический (металлургический) кремний выпускается в России и за рубежом в промышленных масштабах и имеет относительно низкую стоимость. Порошок технического кремния марок Кр0 и Кр1 используется как сырьевой материал для получения силанов и производства высокочистого кремния.
В настоящей работе основным объектом исследования являлся порошок поликристаллического технического кремния марки КР0 с размером частиц 40 мкм. Исследовались также другие кремниевые порошки с целью расширения диапазона подходящих к использованию материалов, в частности порошки, полученные из отходов высокочистого кремния. Характеристики всех порошков приведены в табл.1.
При реализации эксперимента порции порошка взвешивались с точностью 0,05 г и помещались в стеклянную колбу, куда затем заливался водный раствор КОН объемом 75 мл. Колба быстро закрывалась пробкой с газоотводной трубкой, конец которой подводился под мерный цилиндр, наполненный водой. Объем водорода, генерируемый при химической реакции в колбе, определялся по объему воды, вытесняемой из мерного цилиндра. Погрешность определения объема составляла ±5 мл. Температура раствора в колбе измерялась лабораторным термометром с точностью 0,5 °С.
Интенсивность взаимодействия порошка кремния с водой в щелочной среде и, соответственно, характер генерации водорода прямо зависят от массы порошка и концентрации КОН в растворе (при его постоянном объеме). Масса порошка составляла 0,4–1,2 г, а концентрация КОН находилась в интервале 0,25–4%, что позволяло работать с небольшими объемами водорода и малоагрессивными растворами.
ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОШКА КР0
На рис.1 и рис.2 приведены зависимости объема генерации водорода от времени реакции для растворов с различной концентрацией исходных компонентов. Из рис.1 следует, что при концентрации КОН 0,25% реакция практически не идет, но уже при концентрации КОН 0,5% взаимодействие имеет место, хотя его интенсивность весьма низка. Увеличение концентрации КОН быстро повышает интенсивность реакции, поэтому верхний предел был ограничен величиной 2% КОН.
Анализ кривых на рис.2 показывает, что для всех значений массы кремния (mSi) наибольшая интенсивность реакции наблюдается на начальном этапе. Если условно ограничить начальный этап 5 минутами (300 с), то за это время будет выделено в среднем 52% от теоретически возможного объема водорода для всех указанных значений mSi. Далее интенсивность реакции постепенно снижается из-за расхода реагента (Si): на втором этапе (5–10 мин) выделяется 26–28%, а на третьем (10–15 мин) – менее 10% от теоретически возможного. Последующие этапы уже не представляют интереса из-за малых объемов водорода, хотя реакция может продолжаться более 30 мин, и общий объем генерации может достигать 90–94% от теоретического.
Наибольший интерес представляет первый этап реакции (0–5 мин), где все зависимости близки по форме к прямым, исходящим из начала координат, а их наклон к оси абсцисс характеризует скорость генерации водорода (объем H2, выделяемого в единицу времени). При увеличении исходной массы кремния объем выделения водорода растет очень быстро и прямо пропорционально mSi. В табл.2 приведены значения скорости генерации H2 на первом этапе.
В качестве характеристики конкретного вида порошка кремния в литературе по данной тематике используется термин "удельная скорость генерации водорода", то есть скорость, отнесенная к единице массы – одному грамму кремния [4]. В табл.2 приведены величины удельной скорости, вычисленные для значений mSi, указанных на рис.2. Эти величины очень близки – среднеарифметическое значение составляет 166 мл с разбросом ±3,5%.
Если увеличивать навеску порошка mSi выше 1,2 г, то скорость генерации Н2 также будет пропорционально увеличиваться до определенного предела, который можно считать максимальной скоростью для данного объема раствора (75 мл). Дело в том, что реакция кремния с водой в щелочной среде является экзотермической и быстро приводит к значительному разогреву раствора. Для оценки влияния массы кремния на величину теплового эффекта проводились измерения температуры раствора до начала реакции и в ее ходе. Результаты измерений приведены в табл.3.
На основании полученных данных можно сделать вывод, что навески порошка Si более 2 г использовать не желательно, так как они могут довести температуру раствора до точки кипения. Но даже при навеске Si более 1,7 г быстрый разогрев раствора и бурное газовыделение приводят к тому, что часть порошка выносится на поверхность, и происходит разбрызгивание капель раствора с частицами порошка. Таким образом, максимальную навеску кремния целесообразно ограничить величиной 1,5–1,6 г.
Для практического применения требуется не менее 10–15 л водорода, поэтому должны использоваться повышенные навески порошка кремния. Чтобы избежать перегрева реакционной массы, можно увеличивать объем щелочного раствора. Вода в данном процессе выполняет роль не только источника водорода, но и реакционной среды. По стехиометрии на 1 г Si требуется не более 2,6 мл Н2О [4], а многократный избыток воды необходим для растворения продукта реакции (кремниевой кислоты) и охлаждения раствора. Проведенные эксперименты указывают на возможность увеличения объема раствора в несколько раз, например, до 200 мл. Увеличение объема на порядок и более требует дополнительного исследования, поскольку могут возникнуть проблемы, связанные с большим объемом водорода и повышением давления в реакционном сосуде.
АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ ПОРОШКОВ
В настоящей работе мы не ограничились исследованием одного вида кремниевого порошка, но опробовали также альтернативные варианты. В их числе порошки, полученные из отходов монокристаллического кремния (остатков после вырезки марочного монокристалла из слитка) и промежуточных или побочных продуктов пиролиза моносилана [7,8] (такой порошок обычно непригоден для получения слитков кремния из-за быстрого окисления на воздухе). Оба варианта можно рассматривать как способ утилизации отходов производства высокочистого кремния.
В качестве третьей альтернативы был опробован порошок технического кремния с размером частиц менее 10 мкм. Известно, что измельчение материала до частиц размером не более 10 мкм может создавать эффект активации при некоторых химических процессах [9]. Чтобы определить влияние этого фактора на интенсивность генерации водорода, проводилось сравнение порошков, полученных из одного и того же материала – технического кремния, но отличающихся размером частиц.
Указанные порошки испытывались по методике, описанной выше, при постоянных параметрах: масса порошка – 0,5 г; концентрация КОН – 2 %; объем раствора – 75 мл. Результаты испытаний, а также сравнительные литературные данные приведены в табл.1, где указаны основные характеристики порошков и соответствующие величины удельной скорости генерации водорода.
Анализ данных табл.1 показывает, что порошок монокристаллического кремния с размером частиц 40 мкм по интенсивности генерации водорода близок к порошку поликристаллического кремния такой же крупности. При этом экспериментальные результаты хорошо соответствуют литературным данным.
Порошок поликристаллического кремния с частицами меньшего размера характеризуется более высокой интенсивностью генерации водорода, но меньшей, чем можно было ожидать, исходя из значения его удельной поверхности. То же самое относится и к порошку кремния, полученному пиролизом. По-видимому, указанный эффект связан с особенностями поведения очень мелкого порошка кремния в растворе при высокой скорости генерации Н2, то есть с выносом частиц порошка на поверхность и их агрегацией. Другой причиной несоответствия реальной скорости генерации Н2 ожидаемой (с точки зрения степени уменьшения размеров частиц) может быть окисление частиц на воздухе.
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
По результатам испытаний всех порошков кремния можно заключить, что при одинаковом размере частиц удельная скорость генерации водорода мало зависит от метода получения Si, кристаллической структуры и содержания примесей. Размер частиц является основным фактором, влияющим на интенсивность химической реакции, поэтому его уменьшение позволяет соответственно увеличить скорость генерации водорода. Однако, следует заметить, что генерация водорода в системе "генератор-топливный элемент-аккумулятор" имеет конечной целью зарядку аккумулятора, а этот процесс, как правило, требует длительного времени. Поэтому для практического использования длительная и стабильная работа химического генератора гораздо важнее, чем скорость генерации водорода. Кроме того, использование тонкодисперсных порошков невыгодно экономически, так как их стоимость обратно пропорциональна размеру частиц.
По указанным причинам применение порошков кремния с размером частиц менее 40 мкм в химических генераторах водорода нецелесообразно. При этом порошки с размером частиц более 40 мкм необходимы при значительных величинах mSi.
Порошкообразный кремний является безопасным, нейтральным и дешевым материалом для генерации водорода, выгодно отличаясь от гидридов – опасных, разлагающихся на воздухе и дорогих. Предполагается, что можно использовать кремний, содержащий значительную долю примесей, так как практически все они при реакции кремния с водой останутся в растворе.
На основании проведенной работы, порошки поликристаллического и монокристаллического кремния размером 40 мкм и более можно рекомендовать для практического использования в автономных химических генераторах водорода. Такие порошки обеспечивают получение Н2 в объеме более 1,2 л на 1 г кремния за короткое время (около 10 мин). Исходя из этого, можно рассчитать количество порошка, необходимого для получения заданного объема водорода за определенный промежуток времени.
Масса кремниевого порошка и его крупность оказывают значительное влияние на скорость генерации Н2, поэтому целесообразно при больших загрузках кремния использовать порошки размером частиц более 40 мкм. С другой стороны, автономные химические генераторы в настоящее время позволяют весьма точно регулировать и ход реакции получения водорода, и его подачу потребителям. В качестве последних рассматриваются малогабаритные топливные элементы, которые обеспечивают подзарядку аккумуляторов или прямое питание мобильных телефонов и других электронных устройств в полевых условиях.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Исследованы процессы получения водорода реакцией порошкообразного кремния с водой в слабощелочной среде. Установлены зависимости объема генерации водорода от времени реакции, параметров порошка кремния и соотношения исходных компонентов раствора. Химическая активность кремниевого порошка оценивалась по удельной скорости генерации водорода и тепловому эффекту реакции. Выявлены основные ограничения, связанные с максимальной массой кремния в растворе и размером частиц порошка. Показана перспективность практического использования исследованных порошков кремния в химических генераторах водорода.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
1. Goller В., Kоvalev D., Sreseli О. Nanotechnology. 2011. 22. 305402.
2. Zhan С.Y., Сhu Р.К., Ren D., Xin Y.C., Huo К.F., Zou Y., Huang N.K. Int. J. Hydrogen Energy. 2011. 36 (7). 4513–4517.
3. Kale Р., Gangal A.C., Edla R., Sharma P. Int. J. Hydrogen Energy. 2012. 37 (4). 3741–3747.
4. Erogbogbo F., Lin T., Tucciarone P.M., LaJoie K.M., Patki G.D., Prasad P.N., Swihart M.T. On-demand hydrogen generation using nanosilicon: splitting water without light, heat, or electricity. Nano Lett. 2013. 13. 451–456.
5. Баранов К.В., Жданов В.Б., Сырычко В.В., Гринберг Е.Е., Левин Ю.И., Сеник Б.Н., Беляков А.В. Некоторые возможности использования отходов производства солнечного кремния // Химическая промышленность сегодня. № 5. 2007. С. 17–21.
Baranov K.V., Zhdanov V.B., Syrychko V.V., Grinberg Ye.Ye., Levin Yu.I., Senik B.N., Belyakov A.V. Nekotoryye vozmozhnosti ispol’zovaniya otkhodov proizvodstva solnechnogo kremniya. Chemical Industry Today. No. 5. 2007. P. 17–21. ([n Russian).
6. Фалькевич Э.С., Пульнер Э.О., Червоный И.Ф. Технология полупроводникового кремния. М.: Металлургия. 1992. [In Russian].
Fal’kevich E.S., Pul’ner E.O., Chervonyy I.F. Tekhnologiya poluprovodnikovogo kremniya. M.: Metallurgiya. 1992. (Russian).
7. Miller A., Sonnenshein R. et al. New process for cost effective solar grade silicon for silane. 20th Europ. PVSEC. 2005. P. 565–568.
8. Федотов В.М., Романов В.В. Способ переплавки кремниевой пыли. Патент РФ №2097319 С1. 1997. (Бюлл. №33).
Fedotov V.M., Romanov V.V. Method for remelting silicon dust. RU2097319C1. 1997.
9. Строгова А., Ковалевский А. Микро- и нанодисперсные порошки кремния. Свойства и использование. LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 260 c.
Strogova A., Kovalevskiy A. Mikro- i nanodispersnyye poroshki kremniya. Svoystva i ispol’zovaniye. LAP Lambert Academic Publishing. 2012. 260 p. (In Russian).
Отзывы читателей
