La、U在离子液体中电化学行为及电沉积研究

摘要

乏燃料的后处理是核裂变能可持续发展的关键，其主要目的是回收乏燃料中的铀(U)、钚(Pu)等锕系元素。其中，干法处理不使用水溶液，具有放射性废物排放少、临界风险低、耐辐照等优点而成为目前研究的重点技术。熔盐电解技术是干法处理中最有希望替代湿法处理的技术之一，但其电解温度要高于碱金属氯化物共晶盐熔点，一般在800K以上，需要在惰性气氛及高温下操作，对设备腐蚀严重。离子液体具有电化学窗口宽、低熔点、低蒸汽压、热稳定性好等优点，有望替代高温熔盐用于乏燃料干法回收。然而，国内外关于锕系元素（铀、钚等）在离子液体中的电化学行为及电沉积研究报道较少。因此，本课题先通过镧作为铀的替代元素，进行了含La(Ⅲ)离子液体的合成、电化学行为及电沉积的研究，并进一步开展了铀在离子液体中的电化学行为及电沉积研究。主要的研究内容和成果如下:
　　1.合成了含La(Ⅲ)及U(Ⅳ)离子液体N-甲基-N-丙基哌啶双（三氟甲基磺酰）亚胺(MPPiNTf2)，测试了MPPiNTf2电化学窗口及电导率。分别通过La2O3及UO2与双（三氟甲基磺酰）亚胺(HNTf2)反应，合成有机盐La(NTf2)3及U(NTf2)4，再将有机盐与MPPiNTf2混合配制含La(Ⅲ)及U(Ⅳ)离子液体。电导率测试表明，MPPiNTf2的电导率随温度的升高而增加，随着溶质浓度的增加，先增加后减小;循环伏安曲线表明，MPPiNTf2具有较宽的电化学窗口，达到了4.9V(vs.Pd)。
　　2.研究了La(Ⅲ)在离子液体MPPiNTf2中的电化学行为并实现了镧的电沉积。La(Ⅲ)在MPPiNTf2中铂电极上还原到金属态，是单步三电子转移的不可逆过程，其峰值电位在-2.8V(vs.Pd); La(Ⅲ)在MPPiNTf2中的扩散能力较差，扩散系数随着温度的升高而增大，308、323K的扩散系数分别为4.8×10-8、2.88×10-7cm2/s，扩散系数受温度的影响比较大，相应活化能为99.4kJ/mol;在-2.9、-3.0、-3.1V电位条件下分别沉积出了金属镧，其晶粒大小随着沉积电位的负移而降低。
　　3.研究了U(Ⅳ)在离子液体MPPiNTf2中的电化学行为，并实现了铀的电沉积，说明MPPiNTf2用于乏燃料干法后处理是可行的。U(Ⅳ)在MPPiNTf2中玻碳电极上还原到金属态，是两步四电子转移的过程:即先被还原到U(Ⅲ)，再被进一步还原到金属态，相应峰值电位为-2.7V(vs.Pd);在-2.8V(vs.Pd)的电位条件下实现了金属铀的沉积。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 先进核燃料循环是核能工业的基础

1．2 湿法处理研究现状

1．2．1 Purex流程改进技术

1．2．2 利用新型萃取剂的分离技术

1．2．3 其他湿法后处理技术

1．3 干法处理研究现状

1．3．1 金属还原萃取

1．3．2 挥发分离

1．3．3 熔盐电解法

1．4 离子液体在干法后处理中的应用

1．4．1 离子液体

1．4．2 镧系及锕系元素在离子液体中的电化学行为

1．5 离子液体用于干法回收存在的问题

1．6 课题研究思路

1．6．1 研究方法提出

1．6．2 主要研究内容

1．6．3 研究目标

第二章 离子液体的选择及电导率的研究

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 实验材料及仪器

2．2．2 实验方法

2．3 离子液体的选择

2．4 含La(Ⅲ)及U(Ⅳ)离子液体的配制

2．5 电导率的研究

2．5．1 温度对MPPiNTf2电导率的影响

2．5．2 La(Ⅲ)浓度对MPPiNTf2电导率的影响

2．6 小结

第三章 镧在MPPiNTf2中的电沉积研究

3．1 引言

3．2 实验装置与材料

3．2．1 实验装置

3．2．2 实验材料

3．3 实验方法

3．3．1 电化学测试方法

3．3．2 三电极体系简介

3．4 结果与讨论

3．4．1 La(Ⅲ)在MPPiNTf2中的电化学行为

3．4．2 镧的电化学沉积

3．5 小结

第四章 铀在MPPiNTf2中的电沉积研究

4．1 引言

4．2 实验装置与材料

4．2．1 实验装置

4．2．2 实验材料

4．3 实验方法

4．4 结果与讨论

4．4．1 循环伏安曲线

4．4．2 铀的电化学沉积

4．5 小结

第五章 结论

致谢

参考文献

一 发表论文

二 学术会议