熔盐体系中Sm在不同阴极上的电化学行为及合金制备的机理研究

摘要

随着科技的发展，稀土合金（如钐合金）在汽车、钢铁、航天等领域的应用越来越广泛。所以稀土钐合金的市场需求也越来越大。另外，在乏燃料后处理中，Sm的电解提取是当今的一个很重要的课题，因为Sm对中子的吸收截面大，阻止锕系捕获中子，降低了嬗变效率。本文研究了Sm离子在LiCl–KCl体系中在惰性和活性电极上的电化学行为和Sm–M（M=Al，Ni，Cu，Zn）合金的形成机理，并采用阴极合金化法制备出Sm–M合金。这为Sm的电解提取提供了一条可行的思路，同时可获得高附加值的Sm–M合金。
　　本论文首先研究了Sm(ΙΙΙ)离子还原过程。在钼电极上我们只观察到Sm(ΙΙΙ)还原为Sm(ΙΙ)的过程，观察不到Sm(ΙΙ)还原为Sm的过程。773K时在钼电极上，在LiCl–KCl–SmCl3（5wt.％）熔盐体系中，我们通过循环伏安法测得Sm(ΙΙΙ)离子在?0.62 V左右还原成Sm(II)。同时用方波伏安法（还原电位为0.65V），开路计时电位（还原电位为0.57V）和稳态极化法（还原电位为0.60V）以及反向计时电位法（还原电位为0.64V）测得的Sm(ΙΙΙ)离子还原为 Sm(ΙΙ)的还原电位也都接近这个值。另外，我们用循环伏安法研究了在773K时，钼电极上，Sm(ΙΙΙ)/Sm(II)在LiCl–KCl熔盐体系中的可逆性。结果表明：在低于0.2V·s–1扫速下，Sm(ΙΙΙ)/Sm(II)电极过程是可逆的。通过方波伏安法计算了Sm(ΙΙΙ)还原为Sm(ΙΙ)过程中的电子转移数目（近似等于1），说明Sm(ΙΙΙ)离子还原为Sm(ΙΙ)是1个电子转移过程。通过循环伏安法计算了773K时在钼电极上，在LiCl–KCl–SmCl3（5wt.%）熔盐体系中Sm(ΙΙΙ)离子的扩散系数DSm(ΙΙΙ)=3.65×10–5cm2·s–1。通过反向计时电位法测得 Sm(ΙΙΙ)和Sm(II)在熔盐体系中的扩散系数分别为DSm(ΙΙΙ)=5.69×10–5cm2·s–1和DSm(II)=6.83×10–5cm2·s–1。
　　本论文的第二部分通过循环伏安法、方波伏安法、稳态极化法以及开路计时电位法研究Sm(ΙΙΙ)离子在不同活性阴极（Al，Ni，Cu和液态Zn）上的电化学行为。结果表明：在活性阴极上，能够观察到Sm(II)沉积的信号。这是由于Sm(II)能在活性电极上通过欠电位沉积形成金属间化合物，并且在不同的活性阴极上形成金属间化合物的电位和种类是不一样的。我们通过恒电位和恒电流电解制备出了不同的Sm–M合金。
　　本论文研究了Sm(ΙΙΙ)在惰性电极和活性阴极上的电化学还原机理。通过恒电位和恒电流电解在不同阴极上制备了Sm–M合金，探究了合金形成的电化学机理，为稀土合金的制备提供了可靠的理论依据和工艺路线，也为乏燃料后处理提供了有利的基础实验数据及提取方法。

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第1章 绪论

1.1 熔盐和熔盐电解

1.2 铝合金及铝稀土合金

1.3 镍合金及镍稀土合金

1.4 铜合金及铜稀土合金

1.5 锌合金及锌稀土合金

1.6 稀土元素Sm及其合金

1.7 本文研究意义、研究现状及主要研究内容

第2章 实验部分

2.1 试剂与仪器

2.2 电解质与实验装置

2.3 电化学实验测试方法

2.4 实验流程

2.5 样品的分析

2.6 本章小结

第3章 钐离子在LiCl–KCl熔盐体系中的电化学机理研究

3.1 引言

3.2 循环伏安

3.3 Sm(III)/Sm(II)的可逆性

3.4 方波伏安

3.5 扩散系数

3.6 开路计时电位

3.7 稳态极化法

3.8 反向计时电位法

3.9 本章小结

第4章 熔盐电解法制备Sm–M(M=Al、Ni、Cu、Zn)合金

4.1 引言

4.2 SmCl3在Al电极上的电化学行为

4.3 SmCl3在Ni电极上的电化学行为

4.4 SmCl3在Cu电极上的电化学行为

4.5 SmCl3在液态Zn电极上的电化学行为

4.6 电解法制备Sm?M(M=Al、Ni、Cu、Zn)合金及沉积物表征

4.7 本章小结

结论

参考文献

致谢