熔盐电解制备Dy-Cu合金及其电极还原过程研究
发布时间：2021-07-10 11:12
采用LiF-DyF3为基础熔盐电解质,Dy2O3、Cu2O为电解原料,采用熔盐电解法制备了Dy-Cu中间合金。利用扫描电镜（SEM）、能谱仪（EDS）及X射线衍射仪（XRD）对电解产物的形貌及物相组成进行分析;通过循环伏安法分析Dy（Ⅲ）、Cu（Ⅰ）在钨阴极的电极还原过程。结果表明,LiF-DyF3（24mol%）-3%Dy2O3-1%Cu2O体系下,控制温度970℃、电解时间1.0 h,可制备Cu-Dy中间合金且合金主要物相为CuDy;当电解过程稳定进行时,相同阴极电流密度下,槽电压的变化较小,而随着阴极电流密度的提高,槽电压逐渐增大,电流效率先升高后降低;在LiF-DyF3（24mol%）熔盐体系内,Dy2O3、Cu2O电极还原过程都是一步完成,Dy（Ⅲ）在钨电极上还原电位在-0.6～-0.4 V附近;Cu（Ⅰ）在钨电极上...
【文章来源】：稀有金属与硬质合金. 2020,48(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
熔盐电解制备Dy-Cu合金实验装置图
在LiF-DyF3基础熔盐中加入3%Dy2O3、1%Cu2O(质量分数),固定电解温度为970 ℃,测定不同阴极电流密度(4.6、5.1、5.6、6.1 A/cm2)下槽电压与电解时间之间的关系,结果如图2所示。从图2可看出,在相同的电解时间内,随着阴极电流密度的提高,槽电压增加。这是由于电流密度增大导致阴极与阳极之间的电位差增大,同时熔体内的电压降以及导体上的电压损失增加,从而使得槽电压增大。从图2还可以发现,在整个电解过程中,相同电流密度下槽电压几乎是恒定的,仅在电解开始时槽电压稍高,电解结束时槽电压骤然升高。以电流密度为4.6 A/cm2的曲线为例,槽电压最初为4.25 V,平均值为4.03 V,电解结束时瞬间增大到5.8 V。这是由于当钨棒浸入较高温度的熔盐中时,熔盐表面凝固,导电率降低,从而导致槽电压增加;电解进行到后期,电解原料Dy2O3、Cu2O浓度降低,槽电压有所升高,当Dy2O3、Cu2O电解完全时,槽电压骤然升高。电解过程中电解质的欧姆电阻在温度为970 ℃下是恒定的,所以槽电压波动不大,此时槽电压可以表示为[12]:
在熔盐电解过程中,电流效率是一个非常重要的经济指标,阴极电流密度是影响电流效率的重要因素之一,表征电解过程的化学反应速率,决定着金属的溶解与析出速率。当阴极电流密度过低时,电解反应速率较慢,可能导致无金属析出,此时适当的提高电流密度可使阴极电位变负,有利于金属析出,从而提高电流效率。因此,本实验固定电解温度为970 ℃,电解时间为1.0 h,分别考察阴极电流密度为4.6、5.1、5.6、6.1 A/cm2的电解电流效率,结果如图3所示。由图3可知,电流效率随着阴极电流密度的增加先升高后降低,这与文献[13-14]研究结果一致。当阴极电流密度为5.6 A/cm2时,电流效率达到最高,这是因为当阴极电流密度较低时,电极上的反应速度相对比较慢,被还原出的Dy-Cu合金含量较少,电流效率较低;随着电流密度的增加,电解过程反应速度加快,提高了Dy3+、Cu+还原率,从而电流效率增大;当电流效率达到最大值后继续增大阴极电流密度,电流效率逐渐降低,这是由于阴极电流密度过高时,会使阴极区发热,加快Dy-Cu合金的溶解,此外,在高电流密度下,大量的CO2气体在石墨阳极表面产生,加快了电解质的循环,导致阴极析出的金属来不及溶入合金就被氧化溶解掉,从而导致电流效率的降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]KF-AlF3-Sc2O3熔盐体系下沉阴极法制备Al-Sc合金的实验研究[J]. 向燕,郑鑫,张蔚,曾文华,刘红霞,张小联. 稀有金属与硬质合金. 2018(02)
[2]SmF3-LiF-Sm2O3体系熔盐电解Al-Sm中间合金的研究[J]. 刘红霞,杨纲文,郑鑫,张小联. 稀土. 2018(01)
[3]MgCl2-KCl-AlF3-（La2O3）熔盐体系电解制备Al-Mg-La中间合金[J]. 张福男,王兆文. 东北大学学报(自然科学版). 2016(07)
[4]我国熔盐电解法制备稀土金属及其合金工艺技术进展[J]. 庞思明,颜世宏,李宗安,陈德宏,徐立海,赵斌. 稀有金属. 2011(03)
[5]稀土超磁致伸缩材料用高纯金属铽、镝的制备工艺研究[J]. 庞思明,王志强,周林,陈博雨,徐立海,赵斌,颜世宏,李宗安. 稀土. 2008(06)
[6]二级回火对（NdDy）FeCoCuB磁体磁性能和微结构的影响[J]. 王伟,罗伟,文玉华,于濂清,严密. 稀有金属材料与工程. 2005(10)
[7]用中频炉重熔熔合法生产锰铝合金[J]. 魏正明,陈兰. 中国锰业. 2002(04)
[8]Dy-Cu二元系合金相图[J]. 郑建宣,徐国雄. 物理学报. 1982(06)
博士论文
[1]新型固态氧化物熔盐电解模式与机理研究[D]. 李伟.武汉大学 2010
本文编号：3275810
【文章来源】：稀有金属与硬质合金. 2020,48(04)北大核心CSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
熔盐电解制备Dy-Cu合金实验装置图
在LiF-DyF3基础熔盐中加入3%Dy2O3、1%Cu2O(质量分数),固定电解温度为970 ℃,测定不同阴极电流密度(4.6、5.1、5.6、6.1 A/cm2)下槽电压与电解时间之间的关系,结果如图2所示。从图2可看出,在相同的电解时间内,随着阴极电流密度的提高,槽电压增加。这是由于电流密度增大导致阴极与阳极之间的电位差增大,同时熔体内的电压降以及导体上的电压损失增加,从而使得槽电压增大。从图2还可以发现,在整个电解过程中,相同电流密度下槽电压几乎是恒定的,仅在电解开始时槽电压稍高,电解结束时槽电压骤然升高。以电流密度为4.6 A/cm2的曲线为例,槽电压最初为4.25 V,平均值为4.03 V,电解结束时瞬间增大到5.8 V。这是由于当钨棒浸入较高温度的熔盐中时,熔盐表面凝固,导电率降低,从而导致槽电压增加;电解进行到后期,电解原料Dy2O3、Cu2O浓度降低,槽电压有所升高,当Dy2O3、Cu2O电解完全时,槽电压骤然升高。电解过程中电解质的欧姆电阻在温度为970 ℃下是恒定的,所以槽电压波动不大,此时槽电压可以表示为[12]:
在熔盐电解过程中,电流效率是一个非常重要的经济指标,阴极电流密度是影响电流效率的重要因素之一,表征电解过程的化学反应速率,决定着金属的溶解与析出速率。当阴极电流密度过低时,电解反应速率较慢,可能导致无金属析出,此时适当的提高电流密度可使阴极电位变负,有利于金属析出,从而提高电流效率。因此,本实验固定电解温度为970 ℃,电解时间为1.0 h,分别考察阴极电流密度为4.6、5.1、5.6、6.1 A/cm2的电解电流效率,结果如图3所示。由图3可知,电流效率随着阴极电流密度的增加先升高后降低,这与文献[13-14]研究结果一致。当阴极电流密度为5.6 A/cm2时,电流效率达到最高,这是因为当阴极电流密度较低时,电极上的反应速度相对比较慢,被还原出的Dy-Cu合金含量较少,电流效率较低;随着电流密度的增加,电解过程反应速度加快,提高了Dy3+、Cu+还原率,从而电流效率增大;当电流效率达到最大值后继续增大阴极电流密度,电流效率逐渐降低,这是由于阴极电流密度过高时,会使阴极区发热,加快Dy-Cu合金的溶解,此外,在高电流密度下,大量的CO2气体在石墨阳极表面产生,加快了电解质的循环,导致阴极析出的金属来不及溶入合金就被氧化溶解掉,从而导致电流效率的降低。
【参考文献】：
期刊论文
[1]KF-AlF3-Sc2O3熔盐体系下沉阴极法制备Al-Sc合金的实验研究[J]. 向燕,郑鑫,张蔚,曾文华,刘红霞,张小联. 稀有金属与硬质合金. 2018(02)
[2]SmF3-LiF-Sm2O3体系熔盐电解Al-Sm中间合金的研究[J]. 刘红霞,杨纲文,郑鑫,张小联. 稀土. 2018(01)
[3]MgCl2-KCl-AlF3-（La2O3）熔盐体系电解制备Al-Mg-La中间合金[J]. 张福男,王兆文. 东北大学学报(自然科学版). 2016(07)
[4]我国熔盐电解法制备稀土金属及其合金工艺技术进展[J]. 庞思明,颜世宏,李宗安,陈德宏,徐立海,赵斌. 稀有金属. 2011(03)
[5]稀土超磁致伸缩材料用高纯金属铽、镝的制备工艺研究[J]. 庞思明,王志强,周林,陈博雨,徐立海,赵斌,颜世宏,李宗安. 稀土. 2008(06)
[6]二级回火对（NdDy）FeCoCuB磁体磁性能和微结构的影响[J]. 王伟,罗伟,文玉华,于濂清,严密. 稀有金属材料与工程. 2005(10)
[7]用中频炉重熔熔合法生产锰铝合金[J]. 魏正明,陈兰. 中国锰业. 2002(04)
[8]Dy-Cu二元系合金相图[J]. 郑建宣,徐国雄. 物理学报. 1982(06)
博士论文
[1]新型固态氧化物熔盐电解模式与机理研究[D]. 李伟.武汉大学 2010
本文编号：3275810
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