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News: Umweltfreundliches Silicium

Bei der üblichen Herstellung von reinem Silicium wird viel Energie benötigt und das Treibhausgas Kohlendioxid wird frei. Vielleicht lässt sich die Umweltbilanz bei der Produktion künftig ein wenig verbessern.
Silicium spielt eine essenzielle Rolle für elektronische Bauteile wie Solarzellen und Halbleiterchips sowie für die Herstellung von Silikonen. Außerdem ist das Halbmetall ein wichtiger Bestandteil von Legierungen. So wichtig der Rohstoff auch ist, seine Gewinnung ist derzeit nicht sonderlich umweltfreundlich: Industrielle Verfahren zur Herstellung von elementarem Silicium beruhen heute zumeist auf der Reduktion von Siliciumdioxid (SiO2, Quarz) durch Kohlenstoff bei 1700 Grad Celsius, wobei der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff aus dem Quarz zu Kohlendioxid (CO2) reagiert.

Da weltweit im Jahr 2002 etwa 4,1 Millionen Tonnen Silicium hergestellt wurden, sind damit auch 6,5 Millionen Tonnen des Treibhausgases CO2 in die Atmosphäre freigesetzt worden. Dieses CO2 ließe sich durch eine neue, elektrochemische Methode zur Gewinnung von Silicum vermeiden, die zudem weniger Energie als das klassische carbothermische Verfahren benötigt. Die von Chemikern der Wuhan Universität in China entwickelte Technik könnte die Basis für einen großtechnischen Einsatz sein.

Für die elektrochemische Gewinnung von Silicium wählte das Team um George Chen den Ansatz, Siliciumdioxid direkt als Material für die negative Elektrode (Kathode) einzusetzen und so einer Elektrolyse zuzuführen. Als Elektrolyt für eine solche elektrochemische Reduktion von Metalloxiden bei hohen Temperaturen eignet sich geschmolzenes Calciumchlorid. Allerdings gibt es dabei eine Schwierigkeit, die es zu überwinden gilt: Siliciumdioxid ist ein Isolator, es leitet elektrischen Strom nicht.

Immerhin, Vorversuche haben gezeigt, dass an der dreiphasigen Grenzfläche zwischen Siliciumdioxid, Elektrolyt und dem abgeflachten Ende eines Wolframdrahtes, über den die Elektrode an den Stromkreis angeschlossen wird, eine Umsetzung von Quarz zu elementarem Silicium stattfindet. Und im weiteren Verlauf der Elektrolyse nimmt dann das neu gebildete Silicium die Rolle des Stromleiters ein. Theoretisch sollte die Reaktion auf diese Weise durch die ganze Quarzelektrode fortschreiten. Praktisch wird jedoch nur ein kleiner Bereich um die Wolframscheibe umgesetzt. Der Grund ist, dass die Elektrolytschmelze nicht weit genug in die bereits entstandene, kompakte Silicium-Schicht eindringen kann und sich deshalb keine dreiphasige Grenzschicht mehr ausbildet.

Chen und Kollegen fanden nun eine praktikable Lösung für das Problem: Statt einer massiven Quarz-Elektrode setzen sie Siliciumdioxid-Pulver ein, das zu dünnen Presslingen komprimiert und gesintert wird. Die Presslinge sind porös, sodass die Elektrolytschmelze eindringen kann. Die Partikel selber messen nur wenige Mikrometer und werden, wie sich zeigte, bei der Elektrolyse komplett zu pulverförmigem Silicium umgesetzt. Durch Mischen des Quarz-Pulvers mit anderen Metalloxid-Pulvern lassen sich außerdem fertige Legierungen mit streng kontrollierter Zusammensetzung direkt herstellen.

Prinzipiell scheint der Ansatz von Chen und Co also Erfolg zu haben. Aber ob er sich auch für ein neues umweltfreundliches großtechnisches Verfahren eignet, das die herkömmliche Prozessführung zumindest teilweise ersetzen könnte, muss sich erst noch erweisen.

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  • Quellen
Angewandte Chemie 116(6): 751–754 (2004)

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