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“电化学冶金”研究梯队简介
发布时间:2011-5-22    立即打印    

电化学冶金研究梯队简介

梯队负责人:朱鸿民

梯队成员:  朱鸿民、黄凯曹战民

研究方向:

本梯队的研究主要集中在电化学冶金、稀有金属冶金以及功能材料制备方面。具体包括:金属钛新型提取流程、铝电解阳极过程动力学以及温室效应气体控制、活性金属合金的电解共沉积连续制备、纳米级钽铌粉末的制备以及超高比容电容器的研制、氮化物纳米复合材料的制备、熔融盐体系物性等方面。

代表性研究内容与成果:

金属钛新型提取流程 

      金属钛具有优异的物理、化学性能,其密度小比强度高、熔点高、耐高温腐蚀且无毒害,因而被应用于航空航天、化工、船舶、医疗卫生体育器材等广泛的领域。目前金属钛的主流生产工艺为Kroll法,整个生产过程步骤繁琐、能源消耗大,而且核心的镁热还原步骤是间歇式操作,生产效率非常低,因此造成了金属钛的价格昂贵。为了降低海绵钛的价格,在过去的数十年中,世界各国的冶金学家们多方位寻求新的低成本钛冶炼工艺,但迄今尚未一种可取代Kroll工艺的流程出现。本课题组对钛离子在熔融盐体系中的沉积特性以及碳氧钛化合物的溶解特性等进行了综合分析和理论计算后提出了以下的思路:1)以二氧化钛TiO2和碳C为原料,在较低温度下制备得到较低价态的碳氧化钛Ti-C-O,并保证具有足够的金属导电性,用作阳极原料;2)将此类阳极在熔融盐中电解溶出,在适当的条件下使得其阳极产物为CO或CO2,从而使阳极固溶体中的氧和碳完全以气体的形式排出,而钛则以离子形式溶出,与此同时在阴极上钛离子还原沉积出金属钛。

研究组证实了上述思路的可行性。通过可溶阳极熔盐电解在阴极上可获得金属钛。图1为阴极沉积物经过清洗后的钛粉末的光学及扫描电子显微镜照片。由图可见,所获得金属粉末具有金属光泽。

阴极产物清洗后的光学及SEM照片

通过上述碳热还原—熔盐电解相结合的方式可以高效率地提取金属钛,此方法在操作步骤能源效率生产成本等多方面具有优势,而且由于原料和产物分别为阳极和阴极,电解提取过程恰好类似于电解精炼,因此非常有利于获得高纯度的金属钛,而且对原料二氧化钛的纯度要求不会太苛刻,因为钙镁等成分在阳极溶入电解液后只是以离子的形式留在熔融盐中不会在阴极上沉积,其他的成分也可通过控制电势达到提纯的目的。

铝电解阳极过程动力学以及温室效应气体控制   

      许多活性金属的冶金过程都是以氧化物为原料在氟化物熔融体中电解进行的,典型的例子是铝电解,钕等稀土金属也是如此。电解使用碳质阳极。在正常情况下阳极产物为氧化碳(CO2为主,含部分CO),但是当阳极产生阳极效应时阳极气体中含有大量的全氟化碳(PFC, CF4, C2F6),而此类气体具有非常强的温室效应,其温室效应指数(GWP)达6,000~12,000(CO2为1)。因此,就阳极效应和温室效应气体的控制成为铝以及稀土冶金中极其重要的环节。

 而就阳极效应的发生机理以及温室效应气体产生的动力学长期以来人们从不同的角度给与描述,一直没有给出较为清晰的说明。本课题组对氟氧化合物体系中碳阳极的电极过程动力学进行了细致、全面的研究,成功地实现了在1000℃高温下旋转电极循环伏安曲线的测试以及控制电势条件下的阳极气体在线分析。发现阳极效应发生的根本原因在于具有绝缘特性的氟碳化合物吸附膜的产生,而此类吸附膜产生具有明确的临界电势。这一不依存于其他条件(如电流密度、氧化物浓度、电极形状等等)临界电势的确定,对于阳极效应发生机理的理解以及阳极效应的控制具有极其重要的意义。而氟化碳气体只在阳极效应临界电势以上的电势下发生。

本研究组正在开展不同电解质组分、温度以及压力等因素对碳阳极的电极过程动力学的影响。并结合实验室研究成果,对实际工业电解槽的阳极效应以及温室效应气体排放控制提供理论指导。

活性金属合金的电解共沉积连续制备  

      镁合金作为重要的结构材料在汽车工业等领域有广阔的应用前景,目前的生产方法为采用金属镁和金属铝等对掺获得。但是对于镁等活性金属而言往往需要采用真空熔炼或者惰性气体保护,目前采用的惰性气体含有SF6,虽然其稳定性好,但是具有极强的温室效应(GWP高达32,000),当大规模生产此类活性金属合金时显然是不可取的。解决这一问题的一个方法是在电解过程中直接形成合金,从而使得其密度提高有利于产物的下沉,这样也解决了混合过程中的烧损和保护气体问题。针对以上问题,本课题组提出了在电解镁等活性金属时直接将合金成分以电解原料的形式连续添加,实现电化学共沉积的方式制取合金的思路。对镁基合金的共沉积进行了详细研究,发现对于活性金属基合金而言,只要对添加原料的成分和添加速度以及电解的电流进行控制就可以获得精确控制成分合金。通过这一方法可以实现合金的稳定、连续制取,具有流程短、能耗低、金属损失少以及环境友好的特点。

均相还原制备纳米级金属以及氮化物粉体  

      利用均相还原的方法制取出尺度在数十纳米的金属以及金属氮化物粉末。均一相可以是液相液可以是气相。图3是由此均相还原获得的钽粉的电子显微镜图。由此类粉末制作的电容器,有望大幅度的提高比电容。另外通过这一均相还原技术,可以实现各类复合纳米材料的制备以及包裹,从而到达功能材料微观设计的目的。本课题组已经在不同体系里成功地制备出了钽(Ta)、铌(Nb)、 铌三铝(Nb3Al)等金属纳米粉末以及氮化钛(TiN)、钽化钽、氮化硅、氮化铝等一系列氮化物纳米粉末,并实现了纳米粉的共沉积以及原位包裹。

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