熔融氧化物体系电解制备液态铁及其合金的基础研究

The project is focusing on the electrodepositing liquids of iron and its alloys in molten oxides electrolytes.The configuration is set up with ferrochrome super alloy being the inert anode and molten oxides containing iron oxides or other metal oxides as activates.The zero emissions of carbon dioxide is achieved upon the existence of an inert anode capable of sustained oxygen evolution. Based on obtaining the liquids of iron and its alloys, some of electroanalytical techniques and the electrolysis will be carried out in molten oxides to illustrate the kinetics of the oxygen ion's electrochemical reaction at the interface of the super alloy anode as well as O2 libration mechanism. Furthermore, the current efficiency of the electro-deoxidation process utilizing inert anodes will be evaluated. It is reasonably believed that the expected achievements of this project can promote the development of the theory of molten salt electrochemistry and new technology of green metallurgy.

本项目拟以全氧化物熔体作为电解质，采用Cr-Fe合金作为惰性阳极，以氧化铁及其它金属氧化物等为活性物质原料，在熔融氧化物电解质体系中电解得到液态铁及其合金，氧离子在阳极界面放电生成氧气。项目在成功电解提取液态Fe、Fe-Ni、Fe-Cr-Ni等基础上，弄清不同组分Cr-Fe合金在熔融氧化物体系的耐腐蚀性能，获得熔体电解质各组分对于氧离子阳极过程及金属离子阴极过程的影响机制，揭示氧离子在Cr-Fe合金阳极界面转化及放电机理。可期望的研究成果对熔盐电化学理论及钢铁冶金新工艺的推进有重要价值。

熔盐电解是金属冶金提取工业不可或缺的关键技术。石墨通常被选做阳极，将不可避免的排放大量CO2温室气体。针对这一问题，本项目提出以全氧化物熔体为电解质，采用超合金或其他惰性金属为阳极，以氧化铁及其它金属氧化物等为活性物质原料，在熔融氧化物电解体系中电解得到液态铁及其合金，阳离子在阳极界面放电生成氧气。围绕上述研究内容，分析了氧化物电解质的基本物化性质，讨论了不同因素对熔融氧化物体系电导率、熔点、光学碱度及密度等的影响。明确了惰性阳极在高温熔盐中的反应机理，探究了K2CO3-Na2CO3和NaOH熔盐中不同种类惰性阳极界面动力学过程，分析了惰性阳极钝化膜形成机制，明晰了阳极界面析氧机理，得到了K2CO3-Na2CO3和NaOH熔盐中合适的惰性阳极。研究了含Fe2O3的全氧化物体系中铁离子的电化学还原机理，测量和计算了电解质体系的物理化学性质，明确了电解质体系中铁离子及镍离子、铬离子的电化学还原行为，探讨了不同实验条件下铁单质及铁合金共同沉积过程，获得了电解提取液态金属铁及其合金的最优条件。计算了含TiO2的全氧化物体系中氧化物在电解过程中的还原顺序，获得了Ti在阴极上的沉积机理，明晰了以液态铁作为阴极在该体系中制备Fe-Ti合金的可行性和机理，研究了含TiO2和SiO2的氧化物体系中电解制备Ti-Si合金的方法，分析了以液态铁为阴极电解制备Ti-Si-Fe的可行性和机理。本项目研究成果对熔盐电化学理论及钢铁冶金新工艺的推进有重要价值。本项目总计发表SCI论文8篇，国内外学术会议论文/口头报告多次，申请并获授权发明专利4项，负责人获2017年国家杰出青年基金资助，入选2017年科技部中青年科技创新领军人才，培养博士生3名，硕士生2名。