熔盐电解法制备锌钕、锌铝钕合金及电化学机理研究

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锌合金具有优异的机械性能,在许多工程上使用都令人满意,在计算机、电器、航空、航天、汽车制造、船舶、化学工业、电镀工艺等行业有着广阔的应用前景。目前国内外对ZnCl2在熔盐电化学行为方面研究的还很少。本文采用循环伏安和计时电位等方法研究了不同温度下LiCl-KCl熔盐体系中Zn(ΙΙ)的电化学还原过程和机理,之后,研究了1wt.%的Nd2O3在LiCl-KCl-ZnCl2(0.6wt.%)熔盐体系中Nd(ΙΙΙ)的电化学还原过程,Zn(ΙΙ)和Nd(ΙΙΙ)共电沉积的条件,通过恒电流电解制备了Zn-Nd合金、Zn-Al-Nd合金,提供了一种熔盐电解制备锌铝稀土合金的新方法,最后对合金进行分析。论文第一部分研究的内容是:在LiCl-KCl-ZnCl2熔盐体系中,Zn(II)离子的阴极过程研究。首先在含0.6wt.%的ZnCl2(0.0001g·cm-3)的LiCl-KCl熔盐体系中钼电极(S=0.5649cm2)上,采用循环伏安、方波伏安、计时电位、计时电流等方法研究了温度在460℃、500℃、540℃、580℃时Zn(Ⅱ)的电化学还原过程。由不同扫速下循环伏安曲线试验结果可知,扫描速度在0.11V·s-1之间, Zn(Ⅱ)在钼电极上KCl-LiCl熔盐中的沉积属于不可逆反应,通过计算ΔEp进一步证实了锌离子在该体系下是不可逆的。Zn2+是一步转移两个电子的还原反应。通过计算求得了460℃、500℃、540℃、580℃四个温度下的转移电子数nα;通过CV、CP分别计算得到了扩散系数D,通过计时电位法求得的扩散系数数值与循环伏安方法计算得到的数值较为吻合。之后,根据阿伦尼乌斯(Arrhenius equation)公式计算了锌离子在LiCl-KCl-ZnCl2(0.6wt.%)熔盐体系下的扩散活化能:扩散活化能ED=4.41×104J·mol-1;扩散系数常数D0=0.02284cm2·s-1,扩散系数随温度变化的关系式为:lnD=-3.7793-5300.31/T。论文第二部分研究的内容是:在LiCl-KCl-ZnCl2-Nd2O3熔盐体系中,采用共沉积法制备锌钕合金。首先,采用循环伏安法、计时电流法、计时电位法、开路计时电位法,LiCl-KCl-ZnCl2(0.6wt.%)-Nd2O3(1wt.%)熔盐体系中在钼电极上研究了Zn-Nd合金的电化学形成过程,在-1.50V左右出现了锌的阴极还原峰,在-1.2~-2.0V范围内,在锌钕之间形成了两种比较稳定的金属间化合物。采用恒电流电解得到合金样品,XRD分析方法证实,电解得到的合金样品含有Nd3Zn11和Nd12Zn17相。这是由于氯化锌的氯化作用,使钕在锌上发生欠电位沉积,形成了金属间化合物。论文第三部分研究的内容是:在LiCl-KCl-ZnCl2-AlF3-Nd2O3体系中,钼丝作阴极,石墨作阳极,电解共沉积制备锌铝钕合金。通过选择电解工艺条件如原料配比、电流密度、电极反应时间等方面进行实验,对实验结果分析总结找到最佳的制备工艺条件:电解温度为480℃,电流密度为9.55A·cm-2,电解时间为2h。本论文研究了锌离子在LiCl-KCl熔盐体系中的电化学行为及Zn-Nd合金、Zn-Al-Nd合金共电沉积的机理,提供了一种熔盐电解制备锌铝稀土合金的方法。使生产流程大大缩短且工艺简单、降低能耗和生产成本,易于实现工业化。
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