Skoltech-forskare och deras kollegor från Lomonosov Moscow State University (MSU) har utvecklat en ny metod för kiselåtervinning. Deras forskning publicerades i ACS Sustainable Chemistry &Engineering .

Majoriteten av solpaneler som produceras i allt större mängder använder kisel. Solpaneler som vanligtvis har en livslängd på 25 till 30 år tenderar att brytas ned och producera mindre el med tiden, att göra återvinning av kiselavfall till en snabbknappsfråga. Om vi ​​inte gör något för att återvinna kiselavfall, vår planet kommer att hamna med 60 miljoner ton använda solcellspaneler år 2050. Att omvandla kisel till kiseloxid -nanopartiklar har viktiga konsekvenser för miljön genom att hantera kiselåtervinningsfrågan och tillhandahålla en ny källa till nanopartiklar för olika användningsområden inom vetenskap och industri.

En grupp forskare ledd av Stanislav Evlashin, en senior forskare vid Skoltech Center for Design, Tillverkning och material (CDMM), demonstrerade en enkel och 100 % effektiv metod för att omvandla kiselskivor till nanopartiklar i en vattenlösning. Denna upptäckt kan hjälpa till att hitta ett miljövänligt sätt att återvinna kisel utan att använda giftiga kemikalier.

Den nya kontrollerbara konverteringsprocessen gör det möjligt att styra storleken på nanopartiklarna som sedan kan återanvändas i optik, fotonik, medicin, och andra områden.

"De använda panelerna omvandlas till nanopartiklar med hjälp av hydrotermisk syntes i en vattenhaltig miljö. Det som är bra med denna process är att nanopartikelstorlekar kan kontrolleras inom ett område av 8 till 50 nm utan att använda en massa utrustning, "förklarar Evlashin.

Forskarna använde tre typer av kiselskivor i experimentet:HR (High resistivity), N-typ (kväve-dopad), och P-typ (fosfor-dopad). Deras teoretiska beräkningar baserade på densitetsfunktionella teorin visade att Si-H-bindningarna bildas på ytan av HR-plattor även utan att använda ammoniak som katalysator. Reaktionen kan också påskyndas genom att använda tillsatser, såsom fosfor och bor dopämnen, och molekylära defekter (när det gäller solpaneler).

"De allra flesta metoder som används för att syntetisera nanopartiklar av kiseloxid är baserade på bottom-up-metoden och, därför, använd alkoxider som en föregångare. Däremot vår är en top-down-metod som använder bulk kisel som källa, vilket skapar en mängd fördelar, som enkelhet, skalbarhet, och kontrollerbar partikelstorleksfördelning. Temperatur och hydrolystid är nyckelparametrarna för syntesen som påverkar partikelstorleksfördelningen. Vi märkte att en ökning av pH har en stark effekt på partikelbildningshastigheten. Det är därför vi använde ammoniak som gjorde reaktionen i ett vattenhaltigt medium mycket snabbare, säger Julia Bondareva, en Skoltech Ph.D. studerande.

"Vi bestämde oss för att ta reda på hur nanopartiklar bildas i processen, bland annat. Att göra detta, vi använde en heterogen kärnbildningsmodell med ett begränsat antal kärnbildningscentra fördelat över kiselkällans yta, "säger Timur Aslyamov, senior forskare vid Skoltech.

Vid sidan av rent kisel, forskarna använde industriella solpaneler baserade på Si-ITO-heterostrukturen som betedde sig på samma sätt som kiselpaneler och framgångsrikt omvandlades till nanopartiklar. Denna forskning markerar en viktig milstolpe för miljösäker återvinning av kiselavfall och att skapa nya källor till kiseloxid -nanopartiklar.