Advanced Science:吹尽狂沙始到金 ——沙子到硅纳米管的“炼金术”

徜徉于阳光沙滩的和煦柔软中,情感思绪放松之余的理智思索使我们意识到合理利用滋润万物的阳光和晶莹闪闪的沙子也是减少现代社会对碳基能源的高度依赖的可能途径。

硅是现代社会的基石材料之一,已经在冶金、动力电池、光伏和半导体产业中大规模应用。硅的品质直接决定其应用价值,只有高纯度或具有特殊成分微结构的硅才能在动力电池、光伏和半导体这些高附加值领域应用。不断增长的高附加值产业对硅的旺盛需求带来市场机遇的同时,也给硅冶金工业提出了新的要求。

硅的工业制备是基于高温下的碳热还原法。碳及其杂质(特别是掺杂元素硼和磷等)容易污染产品,造成冶金硅纯度不高;冶金硅提纯使用的西门子工艺能耗高污染重。一个可能解决问题的思路是采用熔盐电化学冶金方法。电化学使用电子作为还原剂,不会引入杂质;将直接碰撞的热化学反应变为“可控电子和离子”的电化学反应,并结合高温熔盐电化学窗口宽的优点,可在大范围内对反应进度进行调控,实现高电流效率和高时空产率。

在熔盐中电解二氧化硅这一硅冶金新方法具有流程短、温度低和不引入杂质的优点。为了进一步提高熔盐电解硅的能量效率和电解硅的应用性能,武汉大学肖巍课题组提出原位电沉积银诱导液固转化制备硅纳米管的创新思路,实现了从二氧化硅直接无模板制备硅纳米管。原位电沉积银诱导液固转化机制中原位生成的银降低了二氧化硅阴极的欧姆电阻,同时诱导生成纳米空心结构提升了传质,这一新过程提升了硅提取效率(电流效率74%,电解能耗12.1 kWh kgSi−1)和电解硅储锂性能。银与集流体的强结合作用实现了降温过程中银和硅纳米管的自分离和银在集流体上富集,实现了银的循环回收利用(银回收率80%)。遵循原位电沉积银诱导液固转化机制,可通过熔盐电化学还原固态二氧化硅和溶解于熔盐的氯化银,实现包裹银镀层的硅纳米管的制备, 同时实现了硅纳米管制备和原位表面修饰,进一步缩短了流程和提升了电解硅的储锂性能。上述成果发表在“Advanced Science” (Adv. Sci. 2020, 20201492)。

氧和硅是地壳中丰度最大的元素。可将廉价易得的二氧化硅高效提炼为性能优异硅材的硅冶金新技术是支撑光伏和动力电池产业高速增长的关键之一。目前熔盐电解硅制备动力电池硅已经在中国成功完成吨级生产试验,熔盐电解硅制备太阳能硅也已经完成实验室概念验证。我们相信,通过对熔盐电解硅界面过程规律的深入认识可为现代社会逐步减少对碳基能源的依赖提供实施途径。