熔盐电脱氧制备钛中电解效率影响因素的研究

摘要

金属钛为密度小、比强度高、耐热、耐腐蚀等性能优异的结构及功能材料，有着广泛的应用前景，但目前钛的制备方法不能满足其广泛应用的需要，科研工作者一直寻求制取钛的新工艺，其中以熔盐电脱氧(FFC法)为代表的TiO2直接电解制取Ti工艺最具发展前景。但该方法的电解过程涉及固相传质，相转变等过程，从而电解反应速度较慢、电解时间长、电解效率低。
　　 本论文工作以FFC工艺为基础，在完善实验方案的基础上，考察实验条件(气氛、电压、温度、熔盐)对TiO2阴极物相组成、微观结构及电解产物的影响；考察样品质量对电流的影响；探讨了CaTiO3(电解形成的CaTiO3及掺杂的CaTiO3)对电解效率的影响。主要研究工作及内容概况如下：
　　 研究各种实验条件下，氩气气氛有利于氧负离子的产生，在电压作用下形成双电层，使氧原子离子化，形成TiO2-x离子结构均能提高TiO2阴极的导电能力。在高温条件下，TiO2晶体中由于产生氧空位，从而形成钛的低价氧化物(TiO2-x)，以及阴极熔盐中渗透到TiO2阴极内部的导电离子数，进而影响阴极的导电性，活化电极以提高TiO2阴极的导电能力是重要的控制步骤。同时在同一实验条件下，随着阴极样品质量的增加，电解产物的氧含量相对降低，钛含量相对升高。由于质量少，压制的样品厚度越小，可缩短氧的扩散路径，有利于电解脱氧，从而提高电解效率。电解过程中形成的CaTiO3，使得阴极结构致密、比表面积减小，阻碍了阴极中氧离子迁移，减少了电解有效反应面积，从而降低了TiO2的电解效率。
　　 掺杂CaTiO3的TiO2使得电解产物脱氧变得充分，且缩短了电解时间，电解效率得以提高，且随着掺杂CaTiO3增加电解效率逐渐提高。掺杂CaTiO3的样品经烧结后形成孔隙较大CaTiO3作为电解过程中中间产物CaTiO3形成的生长界面，促进O2-扩散和迁移；且经掺杂的TiO2直接电解生成晶格畸变型CaTiO3，有利于电解阶段Ca2+、O2-的脱除；掺杂的CaTiO3作为晶核，能在较短的时间内生成颗粒状CaTiO3，增大电解有效反应面积，且阴极片结构疏松，有利于Cal2+、O2-的迁移，同时提高了阴极的导电性。因此，掺杂CaTiO3有利于电脱氧，缩短了电解时间，从而提高了TiO2的电解效率。