МАГНИЕТЕРМИЧЕСКОЕ ВОССТАНОВЛЕНИЕ КРЕМНЕЗЁМА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО КРЕМНИЯ

В данной научно-исследовательской работе подробно изучен процесс магниетермического восстановления (МТВ) аморфного диоксида кремния, извлеченного из рисовой шелухи Кызылординской области, с целью синтеза нанопористого кремния высокой чистоты. Диоксид кремния был экстрагирован методом щелочного выщелачивания с последующим осаждением, что позволило получить прекурсор с развитой удельной поверхностью. В ходе экспериментального исследования при температурах 650-700°C в инертной атмосфере аргона были проанализированы термодинамические закономерности процесса. Особое внимание уделено роли хлорида натрия (NaCl) в качестве теплопоглощающего агента, предотвращающего спекание структуры за счет контроля экзотермического эффекта реакции. Для эффективного удаления побочных фаз, таких как оксид магния (MgO) и остаточный SiO2, применялась многоступенчатая гидрометаллургическая очистка в системе HCl–H₂O–EtOH. Фазовый состав и морфологические особенности полученных образцов были детально охарактеризованы методами рентгенофазового анализа (РФА) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Результаты подтвердили формирование поликристаллического кремния с уникальной иерархической пористой морфологией, полностью унаследованной от структуры биогенного прекурсора. Предложенная методика демонстрирует высокую эффективность и экологическую значимость использования возобновляемого агропромышленного сырья для получения высокотехнологичных наноматериалов.

1. Sustainable production of pure silica from rice husk waste in Kazakhstan / S. Azat et al // Journal of Cleaner Production. – 2019. – Vol. 217. – P. 352-359. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2019.01.142.

2. Silica extraction from rice husk: Comprehensive review and applications / P.U. Nzereogu et al // Hybrid Advances. – 2023. – Vol. 4. – Art. 100111. https://doi.org/10.1016/j.hybadv.2023.100111.

3. Entwistle J. A review of magnesiothermic reduction of silica to porous silicon for lithium-ion battery applications and beyond / J. Entwistle, A. Rennie, S. Patwardhan // Journal of Materials Chemistry A. – 2018. – Vol. 6, № 38. – P. 18344-18356. https://doi.org/10.1039/C8TA06370B.

4. Sustainable biowaste-derived carbon aerogel/MXene composite for mercury removal from water / A. Nursharip et al // Materials Today Sustainability. – 2025. – Vol. 31. – Art. 101132. https://doi.org/10.1016/j.mtsust.2025.101132.

5. Efficient fabrication of nanoporous Si and Si/Ge enabled by a heat scavenger in magnesiothermic reactions / W. Luo et al // Scientific Reports. – 2013. – Vol. 3. – Art. 2222. https://doi.org/10.1038/srep02222.

6. Thermochemistry and kinetics of silica dissolution in NaOH solutions: Effect of the alkali concentration / M. Fertani-Gmati et al // Thermochimica Acta. – 2014. – Vol. 594. – P. 58-67. https://doi.org/10.1016/j.tca.2014.09.003.

7. Nadiradze A.B. Thermodynamic probability of realization of the process of silicon production from geothermal silica by reduction using magnesium / A.B. Nadiradze // Bulletin of the Georgian National Academy of Sciences. – 2010. – Vol. 4, № 3. http://science.org.ge/old/moambe/3-2/Nadiradze.pdf.

8. Scalable fabrication of silicon nanostructures for anodes of high-performance lithium-ion batteries / J.-K. Yoo et al // Advanced Materials. – 2012. – Vol. 24, № 40. – P. 5452-5456. https://doi.org/10.1002/adma.201201601.

9. Banerjee H.D. Investigations on the production of silicon from rice husks by the magnesium method / H.D. Banerjee, S. Sen, H.N. Acharya // Materials Science and Engineering. – 1982. – Vol. 52, № 2. – P. 173-179. https://doi.org/10.1016/0025-5416(82)90046-X.

10. Bekseitova K. Sintez SiO2 iz risovoi shelukhi i ego primenenie / K. Bekseitova, A.Zh. Baimenov, S. Azat // Gorenie i plazmokhimiya. – 2023. – T. 21, № 2. – S. 110-120. (In Russian).

11. The effect of heat treatments on the Si anode generated by magnesiothermic reduction of silica from rice husks / S.K. Lim et al // Journal of Industrial and Engineering Chemistry. – 2015. – Vol. 26. – P. 101-105. https://doi.org/10.1016/j.jiec.2014.11.023.

12. Entwistle J. A review of magnesiothermic reduction of silica to porous silicon for lithium-ion battery applications and beyond / J. Entwistle, A. Rennie, S. Patwardhan // Journal of Materials Chemistry A. – 2018. – Vol. 6, № 38. – P. 18344-18356. https://doi.org/10.1039/C8TA06370B.

13. Key developments in magnesiothermic reduction of silica: insights into reactivity and future prospects / Y. Maximilian et al // Chem. Sci. 10.1039/D4SC04065Ahttp://dx.doi.org/10.1039/D4SC04065A.