编号：FTJS107801
篇名： 光伏废硅粉低温协同氮化制备氮化硅粉体
作者： 查鸿凯
关键词： 氮化硅; 直接氮化法; 氮化机理; 金属添加剂; 熔盐添加剂;
机构：合肥工业大学
摘要： 太阳能发电因其具有清洁、环保、资源丰富、安全等特点,使得光伏行业得到了飞速的发展。而硅片切割是太阳能电池制造的关键技术,光伏行业每年经硅片切割产生了大量的超细的光伏废硅粉,过高的处理成本使得废硅粉主要以堆放为主,这不仅造成了硅料资源浪费,而且引起了环境污染,使得废硅粉亟需处理。与此同时,氮化硅作为一种优异的功能陶瓷材料,具有机械强度高,耐热冲击和耐腐蚀,热膨胀系数小,化学稳定性高,电绝缘性好等优良性能,成为目前研究的热点。因此,如何利用光伏废硅粉实现低成本高效地制备高附加值的氮化硅产品无疑是实现光伏固废综合利用的重要途径之一。 本文以光伏废硅粉作为原料,通过将废硅粉与不同催化剂协同直接氮化制备氮化硅粉体材料。探讨了反应原料、氮化温度及催化剂的种类和添加量对氮化产物的影响规律,并分析了氮化反应机理。 （1）光伏废硅粉其形貌呈不规则的片状,XRD和能谱结果表明,其表面有一层SiO2膜。研究了氮化温度对光伏废硅粉直接氮化产物的影响规律。结果表明,在氮气气氛中,废硅粉在1300℃以下不发生反应;在1350℃及以上,其氮化产物有两种形态,大部分为颗粒状氮化硅,夹杂着少量的棒状氮化硅。废硅粉在1400℃及以上硅才能完全氮化。基于氮化反应过程和氮化产物的形貌特点,其氮化反应机制主要包括两种:颗粒状氮化硅主要以3Si（s）+2N2（g）=Si3N4（s）的方式形成;而纳米棒状的氮化硅则主要是由SiO气体或少量的硅蒸汽与N2通过气气反应形成的。 （2）通过添加金属铜作为催化剂,研究了氮化温度和铜添加量对氮化产物的影响规律。研究发现,当添加铜时,废硅粉在1250℃开始有氮化硅的生成;在1300℃下,当添加5 wt.%铜时,废硅粉实现完全氮化,总转化率为100%;当添加8 wt.%Cu时,氮化产物中（α+β）Si3N4的比例可达79.2%。氮化产物的形貌主要由颗粒状和棒状构成,随着Cu含量的增加,产物中棒状氮化硅的数量和直径增大,颗粒状氮化硅的数量减少,并且铜的加入促进了棒状的α-Si3N4沿（202）晶面的原位生长,并对其氮化反应机理进行了解释。利用Factsage热力学软件绘制了Si-Cu-N-O在1250℃和1300℃下的相图,结果表明铜能够与硅及氮化产物稳定存在,且氧分压在氮化过程有重要作用。 （3）通过添加冰晶石/Cu作为催化剂,研究了硅与冰晶石的比例、氮化温度、及冰晶石与铜协同催化对氮化产物的影响规律,结果表明,在1350℃下,硅的转换率随着硅与冰晶石的比例增加呈现先上升再下降的趋势,硅盐比4:3时,硅的转换率最高能达到97.3%,其中Si3N4的比例为39.7%,Si2N2O的比例为57.6%,冰晶石的加入促进了β-Si3N4生成。当氮化温度为1450℃且硅盐比4:3时,氮化产物中有72.9%的β-Si3N4产生。此外,冰晶石与铜的协同氮化能进一步降低废硅粉的氮化转变温度,根据DTG曲线在1186℃时就开始氮化反应,并对反应机理作了解释。