[發明專利]固體氧化物電解槽制備金屬的方法

無效

• 申請號: 200810032734.2
• 申請日: 2008-01-17
• 公開（公告）號: CN101302630A
• 公開（公告）日: 2008-11-12
• 發明（設計）人: 余晴春;屠恒勇;胡鳴若;隋升;李海濱
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: C25C5/00
• 分類號: C25C5/00;C25C7/00;C22B34/12;C22B5/00
• 代理公司: 上海交達專利事務所
• 代理人: 王錫麟;王桂忠

技術領域

本發明涉及的是一種材料技術領域的方法，特別是一種用固體氧化物電解槽制備金屬的方法。

背景技術

鈦是地殼中含量最豐富的元素之一，在結構金屬中占第4位。鈦及其合金具有密度低、耐腐蝕、耐高溫等優異性能。除了適合作為航天零組件以外，在石油工業、能源、交通、化工、生化、醫藥等民用領域也得到了一定應用。為了使鈦成為廣泛應用的金屬，國內外都在進行鈦還原工藝的研究。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利號為ZL?01805455.2，發明名稱為“生產金屬、半金屬或合金的方法及用于該方法的原料”的專利中，介紹了在無氧的條件下，在堿金屬或堿土金屬氯化物的熔融鹽或鹽的混合物中，通過電解，從金屬氧化物中除去氧，從而獲得金屬的方法。具體方法為：以二氧化鈦為陰極，石墨或其他種類的碳為陽極，以熔融的氯化鈣為電解質，在800-1000℃的溫度下進行電解，陰極二氧化鈦被還原成金屬鈦，氧離子從陰極遷移到陽極，在陽極氧化，生成氧氣或一氧化碳和二氧化碳。采用這種方法制備金屬鈦，存在著以下幾個問題：其一，在電解過程中，由于氧離子的不斷離去而金屬鈦留下，有可能造成熔融鹽中雜質元素沉積到金屬鈦中，影響金屬鈦的純度；其二，在陰極上除了出現氧的離化反應外，還有可能出現鈣的沉積和鈣和金屬氧化物反應，生成金屬和鈣的氧化物，這樣，既影響金屬鈦的純度，也會對后續的電解反應的電位控制，造成影響；其三，采用碳陽極，存在著燒蝕問題，增加了熔融鹽中碳的含量。其四，用堿金屬或堿土金屬氯化物的熔融鹽做電解質，存在著高溫腐蝕問題。

發明內容

本發明針對現有技術的不足，提供了一種固體氧化物電解槽制備金屬的方法。本發明還是以金屬氧化物(MO，如氧化鈦TiO₂)作為陰極，以具有鈣鈦礦結構氧化物為基的復合材料作為陽極，從而獲得高純度的金屬。

本發明是通過以下技術方案實現的，本發明所涉及的用固體氧化物電解槽制備金屬的方法，具體為：在由金屬氧化物陰極、固體氧化物電解質、具有鈣鈦礦結構氧化物為基復合材料陽極組成的電解槽中，在陰極端通入惰性氣體，在陽極端插入導氣管，并把電解槽加熱，在陰陽極兩端加上電壓進行電解，然后在陽極端收集氧氣，電解完畢后，在陰極端得到99％以上的金屬。

所述的金屬氧化物陰極，由金屬氧化物和所對應的金屬構成。金屬氧化物作為反應電極，經過還原反應后，生成所需要的金屬。所對應的金屬，作為集電極，傳輸陰極電流。

所述的金屬氧化物，可選自Ti、Zr、Hf、Al、M、gU、Nd、Mo、Cr、Nb、Ce、P、As、Si、Sb、Sm中一種金屬所對應的氧化物，其形狀可以是金屬氧化物團粒、金屬氧化物燒結片(塊)、泡沫狀金屬氧化物預成體。

所述的固體氧化物電解質，由優良的氧離子導體組成。比如，ScSZ(鈧摻雜氧化鋯)、CGO(釓摻雜氧化鈰)的粉料，通過流延成型的方法，形成200μm-300μm厚膜。

所述的具有鈣鈦礦結構氧化物為基復合材料陽極，分為陽極活化層和陽極接觸層。陽極活化層由50％(重量百分比)的LSFC(La_0.58Sr_0.4Fe_0.8Co_0.2O_3-δ)和50％(重量百分比)的CGO的混合物所組成；單相的LSFC，作為陽極接觸層。

所述加熱，其溫度為500℃-800℃。

本發明的固體氧化物電解槽，均由粉料混合成漿料后，用常規的流延法、噴涂法和絲網印刷的方法加工而成，有利于將來的工業化生產和制作。在陰極室通入惰性氣體，是為了保證新鮮還原的金屬，不被高溫空氣所氧化。在陽極室中插入導氣管，是為了收集生成的氧氣。

采用本發明的固體氧化物電解質構成的電解槽進行提煉金屬的方法，使得在電解槽中進行的電化學反應，在陰極僅有金屬氧化物的還原，在陽極僅有氧氣的析出，沒有其他副反應的存在，大大提高了電流效率，從而也降低了能耗。

采用固體電解質的方法，克服了熔融鹽電解質中，熔鹽雜質對金屬純度的影響，以及熔鹽金屬離子可能在陰極上的沉積；致密的固體電解質把陰極室和陽極室嚴格地區分開來，使得各自的反應物和反應產物，不會相互干擾；同時，也避免了高溫熔鹽造成的腐蝕問題。

與現有技術相比，本發明用具有鈣鈦礦結構氧化物為基的復合材料作陽極，可以在陽極室得到高純度的氧氣，使得電解反應的副產物也具有經濟價值，避免了碳陽極的腐蝕溶解，以及可能產生的二氧化碳等溫室氣體。采用本發明可以得到純度在99％以上的金屬以及純度在99.9％以上的氧氣。

具體實施方式