离子液体中锕系和关键裂片元素的电化学研究

高温熔盐电解技术是干法后处理的发展重点之一，但高温操作条件限制了该技术的发展。离子液体是低熔点的有机盐，具有独特的优点，有望代替高温氯化物熔盐应用于熔盐电解技术中。本项目拟制备离子液体标准参比电极，全面建立电化学测量系统；采用循环伏安法和计时电位法，对离子液体中金属离子电对标准电极电势和U、Pu 及其关键裂片元素在离子液体中的电极过程深入研究，获得金属离子的标准电极电势、电极表面的扩散系数、电荷转移系数、电极反应活化能等基本电化学参数；进而研究U、Pu 及关键裂片元素的电解过程，以期全面了解U、Pu 及关键裂片元素等在离子液体体系中电化学沉积、分离行为和机理，为基于离子液体体系的乏燃料干法后处理技术提供理论依据和技术支持。

干法后处理的一个重要路线是采用高温熔融盐电解精炼对锕系和相关金属元素进行分离，用离子液体替代高温熔融盐有可能使这一工艺在常温下进行，从而简化操作，降低对设备材料的要求。基于这一背景，本课题开展了离子液体中锕系和一些金属元素的电化学研究。我们研究了UO2(Tf2N)2在疏水性离子液体BMImTf2N中的电化学还原，观察到两步还原过程，其中第二步还原伴随沉积过程。第一步还原为准可逆过程，加入Cl-后电位负移，且标准速率常数增大两个数量级，可逆性变好；根据电位随Cl-浓度的变化情况我们推知该单电子还原过程还原产物Cl-配位数不变但稳定性大大降低。我们还研究了亲水性离子液体BMImCl中硝酸铀酰的电化学行为，发现它可以发生一步两电子还原，并在电极上沉积出二氧化铀。利用计时电位和循环伏安法计算了不同温度下铀酰离子的扩散系数以及表观电位。我们研究了裂片元素Eu和Rh在离子液体中的电化学，对前者观察到了Eu3+/Eu2+的准可逆单电子还原，得到了该过程的扩散系数、表观电位等数据。对后者，在DMF辅助下实现了RhCl3在离子液体中的溶解，对其进行电化学还原在电极上沉积出了金属Rh。我们以FeCl3为模型研究了离子液体对金属氯化物的溶剂化情形，比较了分子溶剂DMF和离子液体中FeCl3和FeCl4-的电化学行为，得到配位能力Tf2N＜DMF＜Cl-。当DMF-离子液体溶剂组成连续变化时，FeCl4-的扩散系数和还原电位均随组成发生线性变化。在以上离子液体溶液中电化学行为研究的基础上，我们探索了二氧化铀的N2O4辅助溶解-电化学沉积，以及金属铀和金属铝的电化学溶解-电化学沉积，实现了从金属铀电解得到铀氯酸根离子再还原出金属铀这样的电解精炼循环，结合得到的其他相关金属元素沉积电位的数据，为离子液体中铀和其他金属元素的电解精炼分离建立了初步基础。