镝在LiCl-KCl熔盐中的电化学行为及Al合金化提取研究

摘要

稀土裂片元素（RE）是乏燃料裂片元素的主要组成部分，它们一般具有很大的中子吸收截面，在先进核燃料闭式循环“分离与嬗变”（P&T）策略中，要求它们与锕系元素（An）充分地分离。基于活性铝阴极的熔盐电化学后处理有望成为RE与An，尤其是RE与次锕系元素（MA）分离的最有效的方法，该方法实现的关键技术是Al合金化分离。镝是一种十分重要的RE元素，它在熔盐中的电化学行为，及其与Al是否能形成合金等，对于合金化提取和分离镝有着十分重要的意义。然而，目前相关的文献报道很少，且 Dy(III)离子在熔盐中的电还原过程一直备受争议。因此，本文将对Dy(III)离子在LiCl-KCl熔盐体系中的电化学行为，及其与Al(III)离子的共还原行为进行研究。
　　本文主要研究了以下四个部分的内容：
　　1、在773 K的LiCl-KCl熔盐体系中，采用AlCl3氯化法将Dy2O3进行氯化，制备了纯的LiCl-KCl-DyCl3熔盐体系，其中Dy(III)离子的浓度由ICP-AES分析仪测量。
　　2、在773 K条件下，采用惰性W电极和活性Al电极作为工作电极，结合多种瞬态电化学技术，如循环伏安法（CV）、方波伏安法（SWV）、计时电位法（CP）和开路计时电位法（OCP）等，对LiCl-KCl-DyCl3熔盐体系中Dy3+离子的电化学行为进行研究。
　　研究表明，Dy3+离子在惰性 W电极上的电还原是一步三电子转移的反应：Dy(III)+3e-? Dy(0)，电极反应电位为-2.04 V。该反应受Dy3+离子在熔盐中的扩散控制，且通过CV和CP两种技术计算出Dy3+离子的扩散速率为10-5 cm2s-1量级。相比 W电极，活性Al电极能使 Dy3+离子发生欠电位沉积，并在更正的电位（-1.46 V）下沉积析出。
　　3、在773 K条件下，采用CV、SWV和OCP三种电化学技术，研究了LiCl-KCl-DyCl3-AlCl3熔盐体系中Dy(III)与Al(III)的共还原行为。研究表明，共还原行为受 Dy(III)与 Al(III)离子相对浓度的影响。在 Dy(III)离子浓度较高时，在在CV、SWV和OCP曲线上能观察到三种AlxDyy金属间化合物的峰信号；而在Dy(III)离子浓度较低时，在这些曲线上仅能观察到两种AlxDyy金属间化合物的峰信号。
　　4、采用恒电压和恒电流电解法对共还原过程进行了验证。以Al片作为工作电极，在-1.5 V和-1.6 V分别都恒电位电解3 h，得到了一种Al3Dy金属间化合物。在-50 mA电流下恒电流电解2.5 h，获得了两种金属间化合物（Al3Dy和AlDy）。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 高温干法后处理技术

1.3熔盐体系的选择与氧化物乏燃料的氯化

1.4 An与RE元素的分离

1.5 本论文的主要研究内容

第2章 实验部分

2.1 实验流程

2.2实验所需试剂及仪器

2.3 实验装置

2.4 电化学测量方法

2.5 本章小结

第3章 Dy3+在LiCl-KCl熔盐中的电化学行为

3.1 LiCl-KCl-DyCl3熔盐体系的制备及表征

3.2 LiCl-KCl-DyCl3熔盐体系在W电极上的电化学行为

3.3 LiCl-KCl-DyCl3熔盐体系在Al电极上的电化学行为

3.4 本章小结

第4章 Dy3+与Al3+在LiCl-KCl熔盐中的共还原行为研究

4.1 LiCl-KCl-AlCl3-DyCl3熔盐体系在W电极上的电化学行为

4.2 LiCl-KCl-AlCl3-DyCl3熔盐体系在Al电极上的电化学行为

4.3 Dy-Al合金的制备及其表征

4.4 本章小结

第5章 结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

致谢