PDF《固体透氧膜法制备金属铌》

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E-mail: [email protected] 第18 卷第

7 期何理,等:固体透氧膜法制备金属铌

1337 固体透氧膜(SOM)法作为一种新颖的短流程冶金方 法, 在实验室已成功用于金属钽、 钛和镁 [11?13] 的制备. 本文作者对SOM法直接电解还原Nb2O5制备金属铌进 行了实验研究,考察了电解还原过程和不同电解温度 对阴极产物的影响,并与FFC方法进行了相应的 对比.

1 实验 SOM法由金属氧化物直接制备金属的原理在文 献[6, 11]中有详细阐述, 其为通过电化学的方法将氧 化物中的氧直接脱除而实现金属氧化物的还原.待还 原金属氧化物可根据不同工艺制备为电解系统的阴 极,电解过程中,氧化物阴极中的氧离化进入熔盐, 金属离子获得电子形成金属或低价金属离子;

O2? 通过 熔盐传递至阳极,在阳极失去电子. 与FFC法电解系统的阳极与阴极被置于同一熔盐 体系不同, SOM 法使用了具有氧离子选择性的固体透 氧膜将阳极和阴极隔离开,最终只有氧离子能参与阳 极反应.在与 FFC 法同样的熔盐体系下,SOM 法可 在更高的电解电压下进行工作,从而可获得更大的电 解反应速度,提高工作效率同时避免副反应的发生. 以液体石蜡为粘结剂,将Nb2O5细粉(化学纯,含 量不小于 98%)压片,在1200 ℃下烧结

4 h后制成圆 柱片阴极(直径为

20 mm,厚为

3 mm,质量约为

3 g), 阳极为氧化锆管内碳饱和的铜合金,熔盐电解质为 CaCl2(化学纯,含量不小于 99%).电解池装置如图

1 所示.固体透氧膜为本实验室自制的氧化钇部分稳定 的氧化锆管,其规格为d15 mm*120 mm. 实验在高纯氩气的保护下进行,系统升温到设定 的目标且稳定后, 在两电极间施加恒定电压开始电解, 每隔

5 min 记录系统电流值. 本研究电解电压为 3.2 V, 电解时间为

4 h,实验进行的温度分别为

950、1

050 和1150 ℃.电解结束后,阴极试样经酸洗(稀盐酸)、 蒸馏水水洗及干燥处理后进行检测. 实验采用 FP93 程序温控仪进行高温炉控温;

YB1720A 型可调式直流稳压电源施加电压;

记录用

3086 型X―Y 记录仪. 采用氧化?称取质量法, 即称取 阴极在

550 ℃的空气中氧化

10 h 前后的质量差, 差值 为还原后的阴极产物中铌氧化所需的氧量.利用日本 理学 D/max22500PC 型X射线衍射仪分析电解后阴 极片的相结构, 用JSM?6700F 型扫描电子显微镜观察 阴极片的显微结构和形貌. 图1电解实验装置图 Fig.1 Schematic diagram of reactor electrolytic cell arrangements: 1―Molten electrolyte;

2―Solid oxygen-ion membrane;

3― Copper alloy liquid;

4―Nb2O5;

5―Alumina separator;

6―Molybdenum rod

2 结果与分析 2.1 不同电解时间的阴极产物分析 为研究SOM法用于Nb2O5电解脱氧的过程,在电 解温度及电压分别为

1 150 ℃和3.2 V的条件下,针对 电解时间 0.

5、

1、2 和4h的实验条件下进行了系列实 验.将实验得到的阴极制粉进行XRD分析,结果如图

2 所示. 图2不同电解还原时间样品的 XRD 谱Fig.2 XRD patterns of sample reduced for different times 中国有色金属学报

2008 年7月1338 研究证明,Nb2O5首先转变为Nb的一系列低价氧 化物, 进而被还原成金属Nb. 在电解还原的初始阶段, 阴极上有少量的铌钙氧化物生成,反应初始阶段脱氧 的速度较快;

电解还原 2h后,阴极的XRD谱中除了铌 和铌的低价氧化物外, 已经没有铌钙氧化物的衍射峰;