CaTiO3的形成及对电解的影响

论文摘要

钛金属以其具有的较强的抗腐蚀性、抗疲劳性、韧性、比强度等优点而被称为继铁、铝后的“第三金属”，在航空航天、民用、医药、航海、工业等多个领域有广泛的应用。近年来，对金属钛的需求逐渐加大，但目前金属钛制备工业化工艺Kroll法存在一些缺点，使金属钛的使用成本较高，一定程度上限制了金属钛的广泛使用。熔盐电解制备金属钛工艺中FFC法是有望取代传统工艺制备金属钛的绿色工艺，国内外研究者也做了大量研究工作，目前在实验室范围以该工艺已成功制备了金属钛，并被广泛应用于制备其他金属及合金。但由于钛是多价态元素，电解反应机理复杂，影响电解效率因素复杂，提高FFC法电解制备金属钛的电解效率，还需要进一步研究改进。以FFC法电解制备金属钛时，电解过程中易产生的中间产物CaTiO3是影响电解效率的因素之一。为深入研究电解过程中CaTiO3的形成及其如何影响电解，本论文对这两方面进行了研究。CaTiO3形成机理的研究，主要包括CaO、Ca2+对CaTiO3形成的作用何者起主导作用的研究。对CaCl2是否水解的热力学理论计算，通过不同温度吉布斯自由能计算分析实验温度范围内CaCl2是否易于水解产生CaO的作用，从而对CaTiO3的形成产生影响；通过CaCl2在空气气氛、氩气气氛及未烧结处理样品、CaO与TiO2以1:1的比例及CaCl2与TiO2以1:1的比例热处理后样品、烧结后的TiO2与未烧结的TiO2分别与CaCl2在氩气气氛中烧结样品的检测验证CaO、Ca2+对CaTiO3形成的作用。结果表明：CaCl2在实验温度范围内不易发生水解产生CaO，对CaTiO3的形成作用较小；而CaCl2主要起提供Ca2+的作用，对CaTiO3的形成起主要作用。CaTiO3对电解的影响，主要对比研究了现场CaTiO3及非现场CaTiO3在不同电解时间、电解电压下的差异，研究现场CaTiO3影响电解的因素。以现场CaTiO3及非现场CaTiO3在不同电解时间的比较研究，对现场CaTiO3及非现场CaTiO3在晶体结构、微观形貌、孔结构三方面的差异分析现场CaTiO3影响电解的因素；非现场CaTiO3在不同电解电压下的电解结果研究CaTiO3电解随电压的变化，从而分析电解驱动力对现场CaTiO3电解的影响。结果表明：CaTiO3晶体结构的畸变对CaTiO3电解具有促进作用；CaTiO3较大的比表面积有利于CaTiO3电解形成较多反应中心；CaTiO3孔结构影响电解脱除离子的迁移；CaTiO3的电解不同阶段有最佳电解电压，副反应的存在会影响电解驱动力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 钛的性质及用途
• 1.2.1 钛的性质
• 1.2.2 钛的主要用途
• 3的性质及分布'>1.3 CaTiO₃的性质及分布
• 3的性质'>1.3.1 CaTiO₃的性质
• 3的分布'>1.3.2 CaTiO₃的分布
• 1.4 钛金属制备工艺介绍
• 1.4.1 金属钛制备方法发展历程
• 1.4.2 Kroll 法
• 1.4.3 FFC 法
• 1.5 国内外研究现状
• 2电解制备金属钛反应机理概况'>1.5.1 FFC 法 TiO₂电解制备金属钛反应机理概况
• 1.5.2 FFC 法制备金属钛的中间产物
• 1.6 本论文研究目的、内容、意义
• 1.7 本论文创新点
• 2 理论电解电压计算
• 3电解反应'>2.1 CaCl2、CaTiO₃电解反应
• 2.2 理论电解电压计算依据
• 2.3 相关热力学数据
• 3 实验部分
• 3.1 实验主要试剂、仪器及设备
• 3.1.1 实验主要试剂
• 3.1.2 实验主要仪器及设备
• 3.2 实验方案
• 3.2.1 阴极的制备
• 3形成机理研究实验'>3.2.2 CaTiO₃形成机理研究实验
• 3对电解影响研究实验'>3.2.3 CaTiO₃对电解影响研究实验
• 3.2.4 产物后处理
• 3.3 检测方法简介
• 3.3.1 XRD 物相检测
• 3.3.2 SEM-EDS 微观形貌及元素组成分析
• 3.3.3 比表面积及孔径测定分析
• 4 实验结果与讨论
• 3形成机理'>4.1 CaTiO₃形成机理
• 4.1.1 CaCl2水解可行性热力学分析
• 4.1.2 CaO 作用实验验证
• 2+作用验证'>4.1.3 Ca²⁺作用验证
• 2-作用验证'>4.1.4 O^2-作用验证
• 4.1.5 小结
• 3的形成对电解的影响'>4.2 CaTiO₃的形成对电解的影响
• 3与 TiO₂不同时间电解产物'>4.2.1 非现场 CaTiO₃与 TiO₂不同时间电解产物
• 3不同电压电解产物'>4.2.2 非现场 CaTiO₃不同电压电解产物
• 4.2.3 晶体结构对离子脱除的影响
• 4.2.4 比表面积对反应中心的影响
• 4.2.5 孔结构对离子迁移的影响
• 3电解驱动力的影响'>4.2.6 电解电压对 CaTiO₃电解驱动力的影响
• 4.2.7 小结
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A 作者在攻读学位期间发表的论文目录
• B 作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目