Автор AZoNano 10 сентября 2020 г.

Ученые Сколтеха и их коллеги из Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (МГУ) разработали новый метод утилизации кремния. Их исследования были опубликованы в ACS Sustainable Chemistry & Engineering .

В большинстве солнечных панелей, которые производятся в постоянно растущих количествах, используется кремний. Солнечные панели, срок службы которых обычно составляет от 25 до 30 лет, со временем ухудшаются и производят меньше электроэнергии, что делает переработку кремниевых отходов актуальной проблемой. Если мы ничего не предпримем для переработки кремниевых отходов, к 2050 году наша планета будет засорена 60 миллионами тонн использованных фотоэлектрических панелей. Преобразование кремния в наночастицы оксида кремния имеет важные последствия для окружающей среды, поскольку решает проблему переработки кремниевых отходов и предоставляет новые возможности. источник наночастиц для различных целей в науке и промышленности.

Группа исследователей во главе со Станиславом Евлашиным, старшим научным сотрудником Центра дизайна, производства и материалов Сколтеха (CDMM), продемонстрировала простой и 100% эффективный метод преобразования кремниевых пластин в наночастицы в водном растворе. Это открытие может помочь найти экологически безопасный способ переработки кремния без использования токсичных химикатов.

Новый управляемый процесс преобразования позволяет контролировать размеры наночастиц, которые затем могут быть повторно использованы в оптике, фотонике, медицине и других областях.

«Используемые панели превращаются в наночастицы с помощью гидротермального синтеза в водной среде. Преимущество этого процесса заключается в том, что размер наночастиц можно контролировать в диапазоне от 8 до 50 нм без использования большого количества оборудования, " поясняет Евлашин.

В эксперименте исследователи использовали кремниевые пластины трех типов: HR (с высоким сопротивлением), N-типа (легированные азотом) и P-типа (легированные фосфором). Их теоретические расчеты, основанные на теории функционала плотности, показали, что связи Si-H образуются на поверхности HR-пластин даже без использования аммиака в качестве катализатора. Реакцию также можно ускорить, используя добавки, такие как фосфор и бор, а также молекулярные дефекты (в случае солнечных батарей).

«Подавляющее большинство методов, используемых для синтеза наночастиц оксида кремния, основаны на восходящем подходе и, следовательно, используют алкоксиды в качестве прекурсора. Напротив, наш метод – нисходящий, в котором используется массивный кремний. в качестве источника, который создает множество преимуществ, таких как простота, масштабируемость и контролируемое распределение частиц по размерам. Температура и время гидролиза являются ключевыми параметрами синтеза, которые влияют на распределение частиц по размерам. Мы заметили, что увеличение pH имеет сильно влияет на скорость образования частиц. Вот почему мы использовали аммиак, который значительно ускорил реакцию в водной среде », – комментирует Юлия Бондарева, аспирант Сколтеха.

«Мы решили выяснить, как наночастицы образуются в процессе, среди прочего. Для этого мы использовали модель гетерогенной нуклеации с конечным числом центров нуклеации, распределенных по поверхности источника кремния», говорит Тимур Аслямов, старший научный сотрудник Сколтеха.

Помимо чистого кремния, ученые использовали промышленные солнечные панели на основе гетероструктуры Si-ITO, которые вели себя так же, как кремниевые панели, и были успешно преобразованы в наночастицы. Это исследование знаменует собой важную веху на пути к экологически безопасной переработке кремниевых отходов и созданию новых источников наночастиц оксида кремния.

Сколтех – частный международный университет на базе Инновационного центра Сколково. Сколтех, основанный в 2011 году в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT), воспитывает новое поколение лидеров науки, технологий и бизнеса, проводит новаторские исследования и развивает инновационные технологии для решения важнейших проблем, стоящих перед Россией и миром. Сколтех специализируется на шести целевых областях: наука о данных и искусственный интеллект, науки о жизни и биомедицина, передовая инженерия и современные материалы, энергоэффективность, фотоника и квантовые технологии и перспективные исследования. Сколтех направляет свои усилия на укрепление технологических достижений России в целевых областях.

Источник: http://www.skoltech.ru/