Elektrochemische Gewinnung von Silicium: Neuer Ansatz für ein umweltfreundlicheres großtechnisches Verfahren?

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. Industrielle Verfahren zur Herstellung von elementarem Silicium beruhen heute zumeist auf der Reduktion von Siliciumdioxid (SiO2, Quarz) durch Kohlenstoff bei 1700 °C. Dabei reagiert der Kohlenstoff mit dem Sauerstoff aus dem Quarz zu Kohlendioxid (CO2). Etwa 4,1 Mio. Tonnen Silicium wurden 2002 weltweit hergestellt, entsprechend wurden 6,5 Mio. Tonnen des Treibhausgases CO2 in die Atmosphäre freigesetzt. 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 Z. Chen den Ansatz, Siliciumdioxid direkt als Material für die negative Elektrode (Kathode) einzusetzen. Als Elektrolyt für eine solche elektrochemische Reduktionen von Metalloxiden bei hohen Temperaturen eignet sich geschmolzenes Calciumchlorid. Die Schwierigkeit, die es zu überwinden gilt: Siliciumdioxid ist ein Isolator, es leitet elektrischen Strom nicht. Vorversuche zeigten aber, 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. 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 eine praktikable Lösung: Statt einer massiven Quarz-Elektrode setzen sie Siliciumdioxid-Pulver ein, das zu dünnen Presslingen gepresst und gesintert wird. Die Presslinge sind porös, sodass die Elektrolytschmelze eindringen kann. Die Partikel selber messen nur wenige Mikrometer und werden 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.