氟化物熔盐体系石墨阳极的电化学氟化与钝化机理

摘要

Hall-Héroult熔盐电解法是工业生产原铝的主要方法，它是使用炭素电极作为阴极和阳极在950～970℃下电解冰晶石-氧化铝熔融盐生产金属铝。电解过程中常因电解质中氧化铝含量偏低致使在阳极上发生一种特殊的现象—阳极效应。阳极效应会造成电能消耗增加、电解温度上升、铝损失增加、电解槽使用寿命降低等问题。尤其是发生阳极效应时产生的高温室潜势气体全氟碳化物(Perfluorocarbons，PFCs) CF4和C2F6，对全球温室效应产生不可低估的影响。目前，阳极效应的现象和危害早已被熟知，但是其发生的机理仍不明确，并且阳极效应系数（平均每台电解槽每天发生阳极效应的次数）已经成为评估现代铝电解技术的重要指标之一。因此，本课题以探明铝电解过程阳极效应发生的机理为研究目标，在不同初晶温度及具有不同氟阴离子结构的氟化物熔盐体系中研究石墨电极的电化学氟化与钝化行为。在本研究工作中，采用循环伏安法、计时电位法和电化学阻抗谱法主要研究了石墨电极在LiF-KF、KF-KBF4和NaF-AlF3-Al2O3熔盐体系中的阳极电化学行为，并通过气相色谱(gas chromatography，GC)和X射线光电子能谱(X-ray photoelectron spectroscopy，XPS)对电极反应产物进行定性分析;另外，采用差示扫描量热-热重分析法(differential scanningcalorimetry-thermal gravimetric analysis，DSC-TGA)研究氟化石墨（CF)n热分解的非等温动力学过程，探明固体碳氟化合物的热动力学特性。 在LiF-KF熔盐中，F-在石墨电极上放电，在低电位下（约0.15 V vs.Pt-QRE）与碳反应生成固体碳氟化合物CFx，使石墨电极氟化。石墨电极发生电化学氟化的电极反应为:xF-+C→CFx+xe- 对不同扫描速率下伏安曲线的Ip/v1/2-v关系曲线分析的结果表明这个电极反应的反应机理模式为完全不可逆的电子传递机理模式。XPS分析结果表明在石墨电极表面生成了固体碳氟化合物CFx，并且，气相色谱分析结果显示在电极反应过程中未产生CF4和C2F6等气体碳氟化合物。通过循环伏安法和计时电位法交叉计算，生成CFx的电极反应的电子传递系数为0.27。另外，通过透明槽观察到石墨电极的阳极电化学反应过程存在反电润湿效应现象。这个现象是在电场作用下电极表面CFx层中因聚集大量负电荷对电解质中F-产生排斥的结果。在电场力作用下，CFx层中置入的F-或离子型C-F键中的F原子接受电子后呈现负电荷性，对电解质中F-产生同种电荷相排斥;当电场力解除，该现象就会消失。此外，石墨电极表面形成的CFx层会使电极发生钝化，其原因是电极表面形成的CFx层阻塞了F-向石墨电极表面的传质，抑制了F-与碳原子的电化学反应。在较高电位下（约3.7 V vs.Pt-QRE），F-在CFx层表面自放电生成F2，电子依靠CFx层中离子型C-F键向电极传递。 在KF-KBF4熔盐中，除了F-在低电位下与碳反应生成CFx外，电解质中的含氟络合离子团BnF3n+1-在稍高电位下（1.9 Vvs.Pt-QRE）也会与碳反应生成CFx。这种络合含氟阴离子团可能是BF4-或BF4-的离解反应产物。石墨电极氟化的两个阳极反应可分别描述为:C+xF-→CFx+xe-C+xBnF3n+1-→nxBF3+CFx+xe- 在该熔盐体系中，F-与碳反应生成CFx的电极反应的反应机理模式为耦合前置化学反应的完全不可逆电子传递机理模式，前置化学反应为BF4-的离解反应:nBF4-←→BnF3n+1-+(n-1)F-另外，气相色谱和XPS分析结果表明F-以及络合离子团BnF3n+1-与碳反应生成的产物仅为固体碳氟化合物CFx。通过循环伏安法与计时电位法交叉计算，在KF-KBF4熔盐中F-与碳反应生成CFx的电极反应的电子传递系数为0.27。 在低氧化铝含量的NaF-Al F3-Al2O3熔盐中，石墨电极的阳极过程存在四个电极反应，按反应电位从低到高分别为生成CO2（约1.4 V vs.Al/Al3+）、CF4(约2.47 V vs.Al/Al3+)、CFx（约2.8 V vs.Al/Al3+）和F2（约4.13 V vs.Al/Al3+）的电极反应。生成CO2的电极反应的反应机理模式为耦合后置自催化化学反应的完全不可逆电子传递机理模式。这个电极过程经历两个电子传递步骤和一个后置化学脱附步骤，并且生成中间产物CxO表面物。电化学阻抗谱表明，第一个电子传递步骤的电子传递电阻远大于第二个电子传递步骤的电子传递电阻（即Rct1＞＞Rct2），并且，随着极化电位增高，电子传递电阻Rct1和Rct2均趋于减小，且Rct1减小的更快。这说明在低氧化铝浓度的电解质中CO2析出过程受第一个电子传递步骤控制，并且第一个电子传递过程受过电位变化影响较大。阳极电位达到F-放电电位后，电解质中F-与碳反应生成CF4气体。CF4的形成过程包含两个连续的电化学反应，每个电化学反应中传递两个电子，且第一个电化学反应生成中间产物CxF2相。在稍高电位下，铝-氟络合离子团AlF63-与碳反应直接生成CFx。这个电极反应为一步四电子传递过程，并且其电极反应的反应机理模式为耦合后置自催化化学反应的完全不可逆电子传递机理模式，后置自催化化学反应为CFx的热分解反应。在这个电极反应中，CFx的生成反应以多层石墨原胞为基础，每个石墨原胞发生电化学氟化反应需传递四个电子，形成致密的CFx—氟化石墨(CF)n。尽管在高温下CFx会分解，但是随着阳极电位的增加或时间的持续，最终生成的CFx层会使石墨电极发生钝化，其原因为CFx层阻塞电极反应的传质过程。 氟化石墨（CF)n的非等温热动力学研究结果表明其热分解反应为单步放热反应，起始分解温度约为800K，并且，热分解动力学过程依赖于转化率α分为四个阶段，每个反应阶段的反应机理函数不同。当0.01＜α＜0.15时，为碳核的二维成核生长机理，机理函数为f(α）=2（1-α）[-ln（1-α）]1/2;当0.2＜α＜0.65时，为碳核的一维成核生长机理，机理函数为f(α)=1-α;当0.7＜α＜0.85时，为碳核的链状生长受枝晶成核影响机理，机理函数为双参数Sesták-Berggren方程，f(α）=αm(1-α)n（m=-0.294，n=1.428）;当0.9＜α＜0.99时，为碳核的一维成核生长机理。气相色谱和XRD分析结果表明，（CF)n分解产物为CF4、C2F6和无定型碳C*，且气体产物含量CF4/C2F6为12。这个反应方程可描述为:(CF)n→C*+XCF4+Y C2F6↑ X/Y≈12其中，C*为无定型碳。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景

1．1．1铝电解过程阳极效应

1．1．2阳极效应机理争议

1．1．3铝电解工业PFCs排放现状

1．2铝电解过程阳极效应及PFCs产生机理研究现状

1．3其它氟化物熔盐中的阳极效应研究现状

1．4本文研究意义及主要研究内容

第二章实验与实验技术

2．1电解质体系

2．1．1实验试剂

2．1．2电解质体系的选择

2．2电化学测试

2．2．1实验

2．2．2实验技术介绍

2．3电极反应产物分析及检测

2．3．1实验设备参数及检测条件

2．3．2实验技术介绍

2．4氟化石墨分解热动力学分析

2．4．1实验样品表征

2．4．2实验技术介绍

第三章石墨电极在LiF-KF熔盐中的阳极行为

3．1 LiF-KF熔盐中可能发生的电化学反应

3．2 LiF-KF熔盐的Raman光谱

3．3 LiF-KF熔盐中石墨阳极的电极反应

3．3．1循环伏安测试与分析

3．3．2计时电位测试与分析

3．3．3电化学阻抗谱测试与分析

3．4石墨电极氟化反应产物分析

3．5本章小结

第四章石墨电极在KF-KBF4熔盐中的阳极行为

4．1 KF-KBF4熔盐中可能发生的电化学反应

4．2 KF-KBF4熔盐的Raman光谱

4．3 KF-KBF4熔盐中石墨阳极的电极反应

4．3．1循环伏安测试与分析

4．3．2计时电位测试与分析

4．3．3电化学阻抗谱测试与分析

4．4石墨电极氟化反应产物分析

4．5本章小结

第五章石墨电极在NaF-AlF3-Al2O3熔盐中的阳极行为

5．2 NaF-AlF3熔盐的Raman光谱

5．3 NaF-AlF3-Al2O3熔盐中石墨阳极的电极反应

5．3．1循环伏安测试与分析

5．3．2计时电化学测试与分析

5．3．3电化学阻抗谱测试与分析

5．4石墨电极氟化反应产物分析

5．5 CF4和CFx形成机理讨论

5．5本章小结

第六章氟化石墨的非等温热动力学研究

6．2(CF)n热分解过程的非等温动力学曲线

6．3 MFK法分析(CF)n的热分解过程动力学机理

6．3．1 MFK法原理

6．3．2(CF)n热分解动力学机理

6．4(CF)n热分解的反应

6．5本章小结

第七章结论与展望

7．1结论

7．2消除铝电解阳极效应发生的研究展望

参考文献

攻读学位期间发表的论著、发明专利及获奖情况

致谢

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