Effect of Thermal Oxidation on Reactivity of Silicon Powder in Water

Abstract

Silisiumpulver kan bli oksidert av både oksygen og vann, som produserer silisiumoksid. Når oksidasjonen foregår i vann utvikles hydrogen som et biprodukt. Hydrogen kan føre til eksplosjonsfare og lavere kvalitet på produkter laget av silisiumdispersjoner i vann. Dette studiet har undersøkt bruken av termisk oksidasjon av silisiumpulver for å forhindre hydrogenutvikling når pulveret senere blandes med vann. Termisk oksidasjon danner et beskyttende oksidlag rundt partiklene i pulveret, som forhindrer vann fra å reagere med silisiumet. Hydrogenutvikling har blitt målt etter å ha variert temperatur og luftkvalitet under termisk oksidasjon, pH av vannet pulveret blandes i, partikkelstørrelse og alder på pulver. Hydrogenutviklingsforsøkene har blitt støttet av pulveranalyser. Pulveret har blitt analysert med infrarød spektroskopi, og oksygenkonsentrasjon har blitt målt av LECO-analyse.

Termisk oksidasjon viste en dempende effekt på hydrogenutvikling, spesielt ved temperatur på 350 \textdegree C og oppover. Tykkelsen på silisiumoksidlaget og overflatekjemien ble påvirket av temperatur, lufttype og tid ved termisk oksidasjon. Høyere temperaturer og fuktigere luft førte til et tykkere oksidlag, som senker hydrogenutviklingen når pulveret senere blandes med vann. Pulveralder påvirker også hydrogenutvikling: Pulver lagret i lukkede behold utviklet mindre hydrogen etter lagring fra 2 til 6 måneder. Pulver med mindre partikkelstørrelse utviklet også mer hydrogen, men med lenger induksjonstid.

Når vann og pulver blandes, vil høyere pH på vannet ha en forsterkende effekt på hydrogenutvikling. Det beskyttende oksidlaget oppløses, som muligjør reaksjon mellom vann og silisium. Effekten av pH samsvarer med løseligheten av silisiumoksid i vann, som øker sterkt mellom pH 9 og 10. Vann med pH 7 og 8 ga null hydrogenutvikling etter 24 timer.

Silicon powder can be oxidized by both oxygen and water, producing silica. When oxidation occurs in water, hydrogen is evolved as a byproduct. Hydrogen leads to explosion hazards and reduced quality of products made through processes where silicon is dispersed in water. This study investigated the use of thermal oxidation of silicon powder to form an oxide layer that prevents hydrogen evolution when the powder is later mixed with water. Thermal oxidation of silicon powder produces a passivating layer of silica surrounding the particles, preventing water from oxidizing the silicon. The evolution of hydrogen has been measured, varying thermal oxidation temperature and conditions, the pH of water, and particle size/age. Infrared spectroscopy and LECO oxygen analysis on the powders were used to corroborate the results.

Thermal oxidation was found to have a strong effect on hydrogen evolution, especially from 350 \textdegree C and beyond. The silica layer thickness and surface conditions were affected by oxidation temperature, humidity and time. Silicon powder oxidized at higher temperatures over longer time has a thicker layer. Humid oxidation conditions caused a thicker layer than dry conditions, increasing passivation. Powder aged in closed containers had decreased reactivity over a time period of 2-6 months. Powder with lower median particle size also evolved more hydrogen, but with a longer induction time.

When mixing water and silicon powder, the pH of the water had a significant effect on hydrogen evolution. The passivating silica layer is dissolved, allowing water to react with silicon. The effect of pH correlates with the solubility of silica in water, with a sharp increase between pH of 9 and 10. pH of 7 and 8 resulted in no gas evolution after 24 h.