添加剂在离子液体低温电解精炼再生铝中的作用机理研究

As the rising demand for aluminum and the exhaustion of the aluminum mineral resource make the recovery of aluminum concerned, the purification of secondary aluminum has become the focus of researches. In present proposal, the ionic liquid is served as the electrolyte for the electro-refining of aluminum scrap, first-principles, molecular dynamics simulations with the combination of electrochemical methods will be used to study the effect and mechanism of additives and impurity on the refining process of aluminum in ionic liquids. The electronic structure, reactive sites for ionic liquids, additive and electrode surface, the characteristic of interaction and adsorption will be to elucidated.The effects and mechanism of additives and impurity on the forms, mobilities, inter or intra-molecular interactions, diffusion of cations and anions in ionic liquids will be studied to reveal the structural characteristics and the micro-mechanisms of the interactions of cations, anions and elctrode surface in ionic liquids. New methodology to select and design highly effective additives will be established.The interactions of the additives, impurity and ionic liquids and different crystal surfaces of the Cu and Al electrode and solution surrounding the electrode, and the effect and mechanism of additives and impurity on the process of electrochemical reduction of metal ions will be elucidated. It will be provided a theoretical basis on the development of high efficient and stable, environment-friendly additive for refining process. It is great significant for promotion the technology of low-temperature refining of secondary aluminium in ionic liquids.

随着铝土矿资源的日益枯竭，铝的再生问题广受关注，尤其是再生铝的提纯问题已成为发展再生铝工业的研究热点。低成本再生铝提纯技术的研发对我国铝的循环再生利用具有重要意义。本项目拟采用离子液体低温电解精炼再生铝提纯得到金属铝，采用第一性原理、分子动力学与电化学结合研究添加剂及再生铝中主要杂质对低温电解精炼铝过程的影响和作用机制。弄清添加剂、离子液体、电极表面的结构、反应活性及其相互作用与吸附特性；考查添加剂及杂质对离子液体中电极表面状态、离子的形态与结构、相互作用、物化性质、离子向电极表面传输行为的影响，建立高效添加剂的筛选和设计方法；揭示添加剂及杂质对电极/溶液界面性质、铝电化学还原过程的影响机制。为开发高效稳定、环境友好的新型添加剂，提高沉积质量，降低能耗提供理论依据，对推动离子液体低温电解精炼再生铝技术的发展和应用具有重要的意义。

随着铝土矿资源的日益枯竭，铝的再生问题广受关注，尤其是再生铝的提纯问题已成为发展再生铝工业的研究热点。低成本再生铝提纯技术的研发对我国铝的循环再生利用具有重要意义。本项目采用离子液体来低温电解精炼再生铝提纯得到金属铝。采用第一性原理中最新的范德华校正的密度泛函理论方法（VDW-DFT）计算了60余种离子液体和30余种添加剂的16个全局和局部结构活性参数，建立了离子液体及添加剂的结构参数与物化性质之间的定量构效（QSAR）关系。明确了铜铝铁三种金属不同表面的结构特性和活性位点，探明了离子液体及添加剂与金属的作用位点及吸附特性。采用分子动力学模拟与第一性原理相结合系统揭示了添加剂、铜铁锌等杂质对离子液体中离子存在形式，迁移扩散及电极/溶液界面双电层结构及体系物化性质的影响。将离子液体、添加剂等的结构参数与离子液体的性质及沉积物尺寸建立了联系。系统揭示了离子液体阳离子的不同链长、不同类别的阴离子和加入的添加剂对体系中电极/溶液界面双电层结构和性质及离子传输行为的影响和变化规律。揭示了几类添加剂及铜铁锌等杂质对阴极铝沉积层颗粒大小和生长的影响规律。以烟酰胺为添加剂，温度为323.15K，在[Bmim]Cl/AlCl3中将含铝74.6%的回收铝合金电解精炼得到纯度超过99.8%的金属铝。研究工作进一步表明离子液体作为一种可设计选择性好、易循环利用的绿色电解质用于铝的电沉积或者电解精炼铝，在室温或者接近室温的条件下就能进行，与传统方法相比大大降低了能耗和温室气体排放，经过进一步扩大化实验验证后可形成一套低温绿色再生铝冶金新技术，对实现铝的高效、节能和清洁生产具有重要的科学价值和广阔的应用前景。研究成果在国际国内上有重要影响的权威期刊Colloids and Surfaces A, Langmuir, The Journal of Physical Chemistry B等上发表学术论文13篇（SCI收录9篇，EI2篇，北大中文核心4篇），学术会议论文3篇，参编英文学术专著5部，申请发明专利2件。培养研究生9人（硕士毕业4人）；主办国内会议1次，参加国际学术会议1次，在国内学术会议做邀请报告和分会报告7次。1人获云南省中青年学术技术带头人称号，1人入选云南省“千人计划”青年人才；2人提拔为副处级干部，1人晋升副教授。