一种含有气凝胶的气体储存和分配的装置的制作方法

本发明涉及一种含有气凝胶的气体储存和分配的装置，属于特种气体存储、分配和应用领域。

背景技术：

半导体材料及芯片制造过程常会使用具有极强危害性及毒性的气体，而此类气体通常是液化或者高压储存、运输和使用。以高压方式储存一旦发生泄漏，会使得漏点附近的工作人员遭受严重伤害直至死亡。故1993年起，美国高级技术材料公司(Advanced Technology Materials，Inc.，ATMI)基于物理吸附或是化学键等方式束缚气体分子，使钢瓶内压力得以降低至负压(即低于1个大气压)，从而实际降低气体意外泄漏的机会。

由于ATMI公司的吸附剂材料基于活性炭，基材的纯度、杂质和表面纯度控制存在一定的问题，解吸附后的超高纯气体会有被污染的潜在风险。同时，由于活性炭等具有不可压缩性和饱和吸附容量限制，限制了进一步的应用。专利CN 103638890介绍了利用在惰性气体气氛下将金属或金属前驱体充入载有活性炭或氧化铝等吸附剂的钢瓶中，期望解决上述污染的问题。

气凝胶不同于活性炭、碳纤维和硅胶，材料由纳米颗粒骨架构成，具有高通透性的三维纳米网络结构，比活性炭纤维及硅胶拥有更高的比表面积和孔隙率，孔洞率高达90％以上，因而气凝胶的吸附效率要大大高于普通活性炭、碳纤维和硅胶。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种含有气凝胶的气体储存和分配的装置，以气凝胶为基体，经过化学基团修饰后储存气态氢化物，然后在一定的条件下实现氢化物解吸附，进而通过输送系统供工艺机台使用。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种含有气凝胶的气体储存和分配的装置，其特征在于，包括装有气凝胶的吸附容器。

优选地，所述的气凝胶的密度大于20kg/m³，比表面积大于960cm²/g，孔洞率大于98％，孔洞的平均尺寸小于30nm。

优选地，所述的气体为气态氢化物，以2.5L规格的吸附容器计量，在使用至吸附容器压力为100torr的情况下，其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量不低于150g；在使用至吸附容器压力为10torr的情况下，其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量不低于350g。

优选地，所述的气凝胶为二氧化硅气凝胶和碳气凝胶中的至少一种。

更优选地，所述的气凝胶的制备方法包括：合成反应、老化和修饰。

更优选地，所述的合成反应包括：将主反应物、溶剂、去离子水和催化剂混合搅拌，反应形成凝胶。

更优选地，所述的主反应物、溶剂、去离子水和催化剂的体积比例范围为2∶10～30∶5～35∶0.1～5；所述的反应温度为45-85℃，反应时间为2-100小时。

更优选地，当所述的气凝胶为二氧化硅气凝胶时，所述的主反应物包括含氧的有机硅，其中优选的是TEOS和D4；当所述的气凝胶为碳气凝胶时，所述的主反应物包括含单苯环的酚类物质以及全碳组成的碳纳米管、富勒烯和石墨烯中的至少一种。

更优选地，所述的老化包括将凝胶加热到50～100℃老化10-250小时。

进一步地，所述的老化还包括：将老化后的凝胶置入含有超临界介质的压力容器中，升温并加压至超临界点以上，然后不间断放气并冷却至常温常压。

更进一步地，所述的超临界介质为乙醇、氨水、丙酮或CO₂。

更优选地，所述的修饰包括将化学修饰物质和溶剂混合，倒入装有气凝胶的容器中，在室温下进行表面修饰30-90小时。

进一步地，所述的化学修饰物质为三甲基氯硅烷、三(二甲氨基)氯硅烷、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷(APTES)、3-氯丙基三乙氧基硅烷和二(3-三甲氧基甲硅烷基丙基)胺中的至少一种。

优选地，所述的气体为砷化氢(AsH₃)、磷化氢(PH₃)、乙硼烷(B₂H₆)、三氟化硼(BF₃)或硒化氢(H₂Se)。

优选地，所述的含有气凝胶的气体储存和分配的装置还包括：第一质量流量控制器(MFC)、第二质量流量控制器(MFC)、纯化器(purifier)，压力传感器、第一接头、第二接头、进气隔离阀、工艺机台和惰性气体系统，吸附容器分别连接第一质量流量控制器(MFC)和第二质量流量控制器(MFC)，第一质量流量控制器(MFC)、纯化器、第一接头、进气隔离阀和工艺机台通过管路依次连接，纯化器与第一接头之间的管路上设有压力传感器，第二质量流量控制器(MFC)、第二接头和惰性气体系统通过管路依次连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明以气凝胶为基体，经过化学基团修饰后储存气态氢化物，然后在一定的条件下实现氢化物解吸附，进而通过输送系统供工艺机台使用，所述的气凝胶作为吸附剂，同时具有物理吸附和化学吸附气态氢化物的功能，同时通过气体分配装置可解吸附气态氢化物。本发明具有较高的吸附效率。

附图说明

图1为气态氢化物存储和分配装置结构示意图；

图2为磷烷的解吸附量与使用后容器的压力之间的关系图；

具体实施方式

为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例1

如图1所示，一种含有气凝胶的气体储存和分配的装置，包括装有气凝胶101的吸附容器100、第一质量流量控制器201、第二质量流量控制器202、纯化器300，压力传感器400、第一接头501、第二接头502、进气隔离阀700、工艺机台800和惰性气体系统600，吸附容器100分别连接第一质量流量控制器201和第二质量流量控制器202，第一质量流量控制器201、纯化器300、第一接头501、进气隔离阀700和工艺机台800通过管路依次连接形成供气管路，吸附容器100中储存的气体依次经过第一质量流量控制器201、纯化器300、第一接头501和进气隔离阀700送到工艺机台800，纯化器300与第一接头501之间的管路上设有压力传感器400，第二质量流量控制器202、第二接头502和惰性气体系统600通过管路依次连接，来自惰性气体系统600中的惰性气体能够依次经过第二接头502和质量流量控制器202后对供气管路进行吹扫。

所述的气凝胶101为二氧化硅气凝胶，其制备方法为：

1、合成反应：以四乙氧基硅烷(TEOS)为硅源，将TEOS、乙醇、去离子水、质量浓度为11.5％的HCl溶液按2∶15∶10∶1体积比例混合并搅拌均匀使之在55℃下反应3小时即成凝胶。

2、老化：凝胶生成后，将凝胶加热到90℃老化20小时促使网络结构强化。为加速凝胶老化，将老化后的凝胶置入含有超临界介质乙醇的压力容器中，升温并加压至超临界点以上，然后不间断放气并冷却至常温常压。

3、修饰：将三(二甲氨基)氯硅烷和正已烷溶剂按照体积比1∶15混合，然后倒入装有气凝胶的容器中，在室温下进行表面修饰40小时。所得的气凝胶通过质量和体积测量计算得密度为35.3kg/m³，孔洞率为98.67％；用BET自动吸附仪(Micrometrics Flow Sorb II 2300)测得比表面积为983cm²/g，用透射电子显微镜TEM放大20万倍(FEI Tecnai G2 F30 Twin)测得孔洞的平均尺寸为21nm。

待气凝胶修饰完毕后，将气凝胶装入吸附容器100中，装填量为吸附容器100体积的2.5L，完成焊接后将吸附容器100用N₂吹扫置换并抽离N₂，然后以700Torr的压力往容器100中填充砷化氢AsH₃直至压力不再变化。关闭容器100的阀门，然后按照图1安装气体储存和分配的装置，进行解吸附测试及实际应用。所述的吸附容器中装载的气体为气态AsH₃，以2.5L规格的吸附容器计量，在使用至吸附容器压力为100torr的情况下，通过第一质量流量控制器201获得其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量为183g；在使用至吸附容器压力为10torr的情况下，其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量为379g。

实施例2

一种含有气凝胶的气体储存和分配的装置，类似于实施例1，区别在于：

所述的气凝胶101的制备方法为：

(1)合成反应：以八甲基环四硅氧烷(OMCTS，D4)为硅源，将D4、质量浓度为8.9％的氨水、去离子水、质量浓度为11％的HF溶液按2∶20∶8∶1体积比例混合并搅拌均匀使之在75℃下反应2.5小时即成凝胶。

(2)老化：凝胶生成后，将凝胶加热到90℃老化200小时促使网络结构强化。

(3)修饰：将三甲基氯硅烷和正已烷溶剂按照体积比1∶12混合，然后倒入装有气凝胶的容器中，在室温下进行表面修饰60小时。所得的气凝胶的密度为41kg/m³，孔洞率为98.45％，比表面积为1029cm²/g，孔洞的平均尺寸为24nm。

待气凝胶修饰完毕后，将气凝胶装入吸附容器100中，装填量为吸附容器100体积的2.5L，完成焊接后将吸附容器100用Ar吹扫置换并抽离Ar，然后以700Torr的压力往容器100中填充砷化氢AsH₃直至压力不再变化。关闭容器100的阀门，然后按照图1安装气体储存和分配的装置，进行解吸附测试及实际应用。所述的吸附容器中装载的气体为气态AsH₃，以2.5L规格的吸附容器计量，在使用至吸附容器压力为100torr的情况下，通过第一质量流量控制器201获得其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量为191g；在使用至吸附容器压力为10torr的情况下，其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量为386g。

实施例3

一种含有气凝胶的气体储存和分配的装置，类似于实施例1，区别在于：

所述的气凝胶101的制备方法为：

(1)合成反应：以八甲基环四硅氧烷(OMCTS，D4)为硅源，将D4、重量浓度为9.7％的氨水、去离子水、重量浓度为14.4％的HCl溶液按2∶16∶11∶1的体积比例混合并搅拌均匀使之在70℃下反应4小时即成凝胶。

(2)老化：凝胶生成后，将凝胶加热到80℃老化24h促使网络结构强化。为加速凝胶老化，将老化后的凝胶置入含有超临界介质CO₂的压力容器中，升温并加压至超临界点以上，然后不间断放气并冷却至常温常压。

(3)修饰：将三甲基氯硅烷和正已烷溶剂按照体积比1∶10混合，然后倒入装有气凝胶的容器中，在室温下进行表面修饰80小时。所得的气凝胶的密度为48kg/m³，孔洞率为98.19％，比表面积为1117cm²/g，孔洞的平均尺寸为27nm。

待气凝胶修饰完毕后，将气凝胶装入吸附容器100中，装填量为吸附容器100体积的2.5L，完成焊接后将吸附容器100用Ar吹扫置换并抽离Ar，然后以650Torr的压力往容器100中填充硒化氢H₂Se直至压力不再变化。关闭容器100的阀门，然后按照图1安装气体储存和分配的装置，进行解吸附测试及实际应用。所述的吸附容器中装载的气体为气态硒化氢H₂Se，以2.5L规格的吸附容器计量，在使用至吸附容器压力为100torr的情况下，通过第一质量流量控制器201获得其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量为201g；在使用至吸附容器压力为10torr的情况下，其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量为393g。

实施例4

类似于实施例1，区别在于，所述的吸附容器中装载的气体为磷烷。进行解吸附测试，通过第一质量流量控制器201测量气凝胶解吸附气态氢化物的量，结果如图1所示。

实施例5

一种含有气凝胶的气体储存和分配的装置，类似于实施例1，区别在于：所述的气凝胶101为碳气凝胶，气凝胶101的制备方法为：

(1)合成反应：以间苯二酚(C₆H₆O₂)为碳源，将质量浓度为48％的间苯二酚、甲醛、去离子水、质量浓度为10％的碳酸钠溶液按2∶15∶30∶1体积比例混合并搅拌均匀，静置，使之在80℃下反应96小时即成凝胶。

(2)老化：凝胶生成后，将凝胶加热到85℃老化24小时促使网络结构强化。为加速凝胶老化，将老化后的凝胶置入含有超临界介质丙酮的压力容器中，升温并加压至超临界点以上，然后不间断放气并冷却至常温常压。

(3)修饰：将3-氯丙基三乙氧基硅烷和正已烷溶剂按照体积比1∶10混合，然后倒入装有气凝胶的容器中，在室温下进行表面修饰72小时。所得的气凝胶的密度为26kg/m³，孔洞率为98.85％，比表面积为1134cm²/g，孔洞的平均尺寸为18nm。

待气凝胶修饰完毕后，将气凝胶装入吸附容器100中，装填量为吸附容器100体积的2.5L，完成焊接后将吸附容器100用Ar吹扫置换并抽离Ar，然后以700Torr的压力往容器100中填充砷化氢AsH₃直至压力不再变化。关闭容器100的阀门，然后按照图1安装气体储存和分配的装置，进行解吸附测试及实际应用。所述的吸附容器中装载的气体为气态AsH₃，以2.5L规格的吸附容器计量，在使用至吸附容器压力为100torr的情况下，通过第一质量流量控制器201获得其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量为221g；在使用至吸附容器压力为10torr的情况下，其内含的气凝胶解吸附气态氢化物的量为405g。