离子液体电解分离镅和三价镧系元素的研究

现有研究表明，熔盐电解法分离镧系和锕系元素的优势逐步增大，传统高温熔盐自身存在"高温、高腐蚀"及其引发"高辐射"的问题，可以通过室温熔盐离子液体解决。本研究以离子液体电解分离镅和三价镧系元素为出发点，分析镧镅元素在选定离子液体中的存在状态和分布规律，测定镧镅离子电沉积电位序。在已知镧镅离子电位序的基础上，进一步利用元素在阴极上的过电位不同，使其造成两者有较大的电位差，进而对其进行分离，研究其电化学行为和电子传递规律以及离子扩散机制。并且通过研究新熔盐体系物理化学性质，对镧系元素尤其是变价镧系元素的电解过程和机理、氧化还原过程的热力学和动力学进行深入研究，根据镧系元素的结果推断镅熔盐电解的基本规律，并用镅的电解进行验证。最后，通过比较离子液体熔盐黏度、溶解能力、电导率等物化性能以及电解参数对分离效果的影响，解决变价元素分离系数低和离子液体中镧锕溶解度较低的科学问题，提出有效的分离方案。

在乏燃料后处理中，离子液体作为“新一代绿色溶剂”可以替代强腐蚀性的高温熔盐用于干法后处理回收金属。近年来，国内外学者在离子液体中研究了锕镧系元素的电化学行为，认为离子液体作为电解液可以电沉积金属及合金薄膜。本项目针对核电站卸下的乏燃料开展实验模拟研究，在离子液体中电解分离三价镧系元素，并用钆模拟镅研究錒系元素的电化学行为，获得如下研究成果：（1）实验装置方面，实验自制玻璃电解池配三电极体系，该体系及电极处于密闭空间，装置油浴恒温加热并磁力搅拌，通入氮气保护。对比不同阴阳极对电化学性能的影响。该装置根据本实验特点设计，具有一定的针对性。（2）采用循环伏安法、方波伏安法、计时电位法、开路电位法等方法，研究bmimCl、bmimBF4、bmimCl-bmimBF4、bmimCl-AlCl3离子液体中6种三价镧系元素镧、钐、铈、镨、钕、钆元素（模拟镅元素）和铝元素的电化学行为，明确电化学反应机理，计算热力学（扩散系数和活化能）和动力学（反应速率常数）数据。并且通过离子液体中恒电位电解，在金属铜片上电沉积含铈、钆和钕元素的薄膜镀层，在玻碳和石墨上得到大量的无枝晶的铝箔和铝粉，这为今后离子液体电解法制备金属的规模化生产奠定基础，实现镧锕元素的分离。（3）采用循环伏安法、方波伏安法、计时电流法和开路计时电位等方法，在等质量的LiCl-KCl熔盐中，研究Ce(III)在惰性Mo和活性Ni、Mg和Al电极的电化学行为。在此基础上，研究了添加助剂AlCl3氯化氧化物CeO2直接电化学提取Ce制备Al-Li-Ce合金，实现了镧系元素的分离。（4）通过Java语言开发循环伏安法实验数据处理软件，该软件快速处理大量实验数据得到扩散系数、活化能和反应速率常数等数据，计算准确度较高。本项目为离子液体电解分离镅和三价镧系元素提供基础的实验数据。目前已经完成了承诺的预期成果：实验报告1份，国家授权发明专利2项和软件著作权1项，发表SCI检索论文10篇（中文核心1篇），参加学术会议13次，分会报告6次；培养研究生8名。