熔盐电解TiO2制备金属Ti的研究

论文摘要

钛是优良的结构材料和特殊的功能材料,是材料工业和高技术领域中的重要战略物资。传统的钛制备方法普遍存在工艺复杂、成本高、能耗大以及污染环境等问题。2000年剑桥大学提出了一种直接加电压使金属氧化物电脱氧制备金属的新方法（称为FFC剑桥工艺）。此方法具有流程短、不产生污染物等优点。目前正在研究、开发或改进的钛生产工艺很多,但大多仍处于实验室研究阶段。从目前的研究情况来看,TiO2的直接电化学还原法是一种最有前途的方法。虽然直接电解TiO2或钛精矿生产金属钛难度较大,但是与Kroll法相比,它的优越性在于可以简化工艺过程并有可能降低能耗,是值得深入研究和开发的工艺,也是钛金属生产的未来趋势。对该方法的研究还刚刚起步,无论在深度和广度方面还需进一步探索。本文在实验室自制的电解装置上,分别就FFC工艺中阴极制备、熔盐预处理、电解设备改进、电解过程控制等方面年进行了探索性实验研究,并对电解过程基本的电化学特性进行了初步研究,重点进行了电解还原机理的研究。制备了熔盐电解TiO2制备海绵钛所需的TiO2电极,并对阴极二氧化钛导电性进行了研究。采用XRD、XPS等方法对烧结前后的产物和电解产物进行了分析,结果表明:高温烧结、双电层和熔盐都可以改变TiO2电极的导电性。高温烧结可以改变TiO2的能带结构,产生大量导电空位,从而提高了电极的导电性;电极在熔盐中形成双电层,使氧原子离子化,形成TiO2-x结构,提高了电极的导电能力;熔盐中的离子渗透到电极内部,增加了电极内的导电离子数,提高了电极的导电能力。本文还初步研究O2-的形成及其在阴极中的迁移过程,认为高温促使TiO2结构中氧缺位的形成,在融盐电解体系中,O2-通过形成的缺位在阴极中迁移,钙钛矿是电解过程的必然中间产物,阴极表面生成的金属钛阻碍O2-从阴极内层往外层的迁移。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 金属钛的性质
• 1.2.1 钛的物理性质
• 1.2.2 钛的化学性质
• 1.3 金属钛的用途
• 1.4 金属钛资源分布
• 1.4.1 世界钛资源
• 1.4.2 我国钛资源
• 1.5 海绵钛的工业生产方法 — Kroll 法
• 1.5.1 Kroll 法生产海绵钛的工艺流程
• 1.5.2 Kroll 法生产海绵钛的工艺特点
• 1.5.3 制备海绵钛最新工艺研究进展
• 1.6 本论文研究的目的和内容
• 2 理论基础
• 2.1 熔盐简介
• 2.1.1 熔盐简述
• 2.1.2 熔盐结构和性质
• 2.1.3 熔盐选择的依据
• 2.2 电化学方法简介
• 2.2.1 循环伏安
• 2.2.2 交流阻抗
• 2.2.3 计时电流曲线
• 3 实验部分
• 3.1 实验的原料及实验设备
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验设备
• 3.2 实验过程
• 3.2.1 阴极的制备
• 3.2.2 熔盐预处理
• 3.2.3 氩气的预处理
• 3.2.4 电解
• 3.2.5 体系氧分压的控制
• 3.3 熔盐电脱氧理论分析
• 3.3.1 熔盐电脱氧理论
• 4 实验结果与讨论
• 2^-的形成及在阴极中迁移'>4.1 FFC 剑桥工艺中O₂^-的形成及在阴极中迁移
• 2 结构中形成氧缺位'>4.1.1 高温促使TiO₂结构中形成氧缺位
• 2^-在阴极中通过空缺进行迁移'>4.1.2 O₂^-在阴极中通过空缺进行迁移
• 4.1.3 结论
• 2导电性'>4.2 FFC 剑桥工艺中阴极TiO₂导电性
• 4.2.1 烧结前后和电解前后产物的检测结果
• 4.2.2 理论分析
• 4.2.3 结论
• 4.3 熔盐电脱氧理论热力学分析
• 4.4 熔盐电脱氧理论动力学分析
• 2 阴极的循环伏安曲线的测定'>4.4.1 TiO₂阴极的循环伏安曲线的测定
• 2 电极体系计时电流曲线的测定'>4.4.2 TiO₂电极体系计时电流曲线的测定
• 4.5 阴极质量和电解电流的关系
• 4.6 电解尾气的检测分析
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• 作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录