离子液体低温电解还原钛铁矿制备钛铁合金的研究

Ferrotitanium has been extensively applied in iron and steel industry as well as new energy and magnetic materials. In order to use abundant ilmenite resources in China and solve the problems existing presently in the preparation of ferrotitanium, this project will directly use ilmenite as a raw material to prepare ferrotitanium. By means of the mineral phase transformation, the ilmenite is firstly transformed under reducing atmospheres into the Fe/TiO2 composite electrode materials with good electric conductivity. The composite electrode as a cathode is then electrolyzed at low temperatures by using ionic liquids as electrolytes and graphite as an anode to produce ferrotitanium through the in-situ reduction of TiO2 at the cathode. The major research contents include: the mineral phase transformation mechanism of ilmenite and the dependence of its electric conductivity and electrochemical properties on the mineral structural change; the electrochemical behavior of in-situ reduction of TiO2 from the composite electrode and the corresponding charge and mass transfer mechanism during the reduction; the nucliation and growth of ferrotitanium during the electrochemical reduction process from composite electrode in ionic liquids; the effect of ionic liquid composition, additives, current density, cell voltage, temperature and other parameters on electrical power consumption and current efficiency; the determination of physicochemical properties of ionic liquids; and the stability and electrochemical behavior of ionic liquids in electrolysis process. The research is of scientific and industrial importance for reducing the ferrotitanium production costs and emission from its source, enhancing the added value of product, and solving the economical and rational utilization problems of titanium resources of China.

钛铁合金在钢铁工业、能源新材料和磁性材料等领域具有广阔的工业应用前景。本项目针对我国钛资源储量丰富且以钛铁矿为主的特点以及现行钛铁合金制备工艺存在的问题，以钛铁矿为原料，通过矿相重构使钛铁矿转化为导电性良好的Fe/TiO2复合电极材料，用离子液体作为电解质在低温下将复合电极中的TiO2原位还原并与其中的铁生成钛铁合金。主要研究钛铁矿的矿相重构机制及其与导电性和电化学性质的关系；复合电极中TiO2原位还原的电化学行为及其电荷和物质迁移规律；钛铁合金在离子液体电化学原位还原过程中的成核与生长规律；离子液体的组成、添加剂、电流密度、槽电压及温度等参数对电耗和电流效率的影响规律；测定离子液体物理化学性质并研究其在电解过程中的稳定性和电化学行为。研究工作对从源头上显著降低钛铁合金的生产成本，减少排放，提高产品附加值，解决我国钛资源的经济合理利用问题，具有重要的科学意义和广阔的工业应用前景。

钛铁合金在钢铁工业、能源新材料和磁性材料等领域具有广阔的工业应用前景。本项目针对我国钛资源储量丰富且以钛铁矿为主的特点以及现行钛铁合金制备工艺存在的问题，以钛铁矿为原料，采用离子液体或熔盐作为电解质将钛铁矿原位还原成钛铁合金。. （1）系统测定了[Bmim]Cl-AlCl3、[Bmim]BF4、[Bmim]PF6、[Bmim]NTf2和[Emim]NTf2等室温离子液体的电化学窗口，其电化学窗口分别为2.8V、3V、4.5V、4V和4.2V。（2）研究了TiO2在离子液体中的电化学还原性能，发现上述离子液体的电化学窗口宽度不能满足TiO2电解还原的要求。（3）基于热力学分析，绘制了Ti-Fe-N-C-O体系的热力学优势区图。发现该体系可能存在的物相包括：TiO2、Ti9O17、Ti4O7、Ti3O5、TiCyO1-y、TiNxC1-x、TiNxCyO1-x-y、TiC、TiN、 FeO、Fe，其中TiN+Fe的稳定区较大。采用微波煅烧法在N2气氛下将FeTiO3/C混合物转化成了TiN+Fe，经盐酸除铁，制备出了TiN粉体。（4）采用CaCl2、CaCl2-NaCl、CaCl2-NaCl-CaO等熔盐作为电解质，以石墨为阳极，以钛铁矿、高钛渣/石墨、高钛渣/SiO2为阴极，在温度700℃～900℃、槽电压3.2V～4.4V、电解时间10h～24h的条件下，分别电解还原出了多孔的FeTi、TiC和Ti5Si3粉体材料。（5）采用氯化胆碱（ChCl）-乙二醇（EG）低共熔溶剂型低温离子液体作为电解质，以压片-烧结制备的多孔PbO块体为阴极，以石墨为阳极，在低温40℃～80℃、槽电压2.0V～2.5V、电解时间3h～4h的条件下，通过原位电化学还原的方法制备得到金属泡沫铅，提出了PbO在低温离子液体中原位还原和间接还原的反应机理。. 采用氯化物熔盐电解还原钛铁矿、高钛渣/石墨、高钛渣/SiO2分别制备FeTi、TiC和Ti5Si3粉体材料，优化了钛铁矿资源利用的产品结构，为钛铁矿资源的高效利用开辟了一条新的途径，具有较好的应用前景；将离子液体作为电解质用于PbO等金属氧化物的电解还原，可以实现氧化物的低温还原，对于探索金属氧化物低温还原的新技术具有重要的科学意义和潜在的应用价值。