[發明專利]潮濕氣氛的高溫熔鹽電解的電化學方法和裝置

在審

• 申請號: 202110307658.7
• 申請日: 2019-07-08
• 公開（公告）號: CN112941567A
• 公開（公告）日: 2021-06-11
• 發明（設計）人: 阿里·雷扎·卡馬里
• 申請（專利權）人: 東北大學
• 主分類號: C25C3/00
• 分類號: C25C3/00;C25B1/02;C25B1/00;C25C7/00;C01B13/14;C01B6/00;C01G49/00
• 代理公司: 沈陽東大知識產權代理有限公司 21109
• 代理人: 李運萍

潮濕氣氛的高溫熔鹽電化學方法和裝置，屬于電化學冶金技術領域；該方法在潮濕的高溫熔鹽環境下，制備氫氣，金屬/合金，復合金屬氧化物和金屬氫化物；在高于100℃的熔鹽電解質中電解水生成氫氣，工作陰極為固態氧化物片，施加于電解槽的電壓遠低于直接電脫氧工藝的情況下，生成的氫氣原位還原陰極固態氧化物制得金屬；熔鹽中的氫離子可由水蒸氣氣氛下熔鹽的水解反應制得；通過還原氧化鐵、氧化鉬、氧化鉭、氧化鎳、氧化銅、氧化鈦或相應的混合氧化物等，制備相應的金屬或者合金或復合金屬氧化物；通過熔鹽電解生成的氫氣氫化陰極固態金屬，制備相應的金屬氫化物；該方法是一種流程短、耗能低的綠色冶金新工藝。

本申請是申請號為201910608253.X的發明專利的分案申請，原申請的申請日為2019年7月8日，原申請的名稱為《潮濕氣氛的高溫熔鹽電解的電化學方法》。

技術領域

本發明屬于電化學冶金技術領域，具體涉及一種潮濕氣氛的高溫熔鹽電解制備金屬/合金或復合金屬氧化物的電化學方法和裝置。

背景技術

高溫電解過程需要更少的電能和更高的熱能。因為熱能經濟成本低，電解過程更趨向于在高溫下操作。從熱力學角度出發，電解過程所需的能量可由式(1)表述：

ΔH＝ΔF+TΔS (1)

式(1)中ΔH是反應所需的焓變，ΔS是反應體系的熵變。TΔS和ΔF分別是維持電解反應溫度所需的熱能和電解反應消耗的電能。如式(1)所示，

不同溫度下電解水制備氫氣，在25℃、100℃和700℃下電解水反應的理論分解電壓如下所示：

2H₂O(l)＝2H₂(g)+O₂(g) (2)

25℃，E°＝-1.23V

100℃，E°＝-1.17V

700℃，E°＝-0.77V

如上所示，隨著溫度的升高，電解水所需的分解電壓逐漸降低。因此，對于電解水過程，在高溫下進行將消耗更少的電能和更多的熱能，而熱能的經濟成本相較電能更具優勢。

此外，清潔的太陽能和核能，也可被用于高溫電解過程的熱能需求，從而進一步提高工藝的效能和經濟性。然而，電解水的溫度因為水的沸點(100℃)而限制在較低的溫度下。

目前工業上一般通過碳熱還原或者金屬熱還原的方法，從相應的礦物(主要是氧化物礦)中提取制備金屬。這類高溫冶金過程最大的缺點是產生大量的溫室氣體CO₂，同時面臨著還原劑資源短缺的挑戰。科技工作者專注于開發短流程無碳排放的綠色冶金新工藝。以氫氣代替現行的碳或者金屬還原劑，其優勢主要體現在：a)氫是宇宙中豐度最高的元素；b)氫氣與氧化物反應的副產物是水，而非碳氧化物，無環境副作用；c)因氫的能量密度更高，相較于碳和金屬還原劑，理論所需的氫還原劑更少。此外，作為氫還原劑的一種，等離子態的氫是一種還原能力非常強的還原劑，在低于金屬熔點的溫度下，幾乎可以將所有的金屬還原出來。

發明內容

針對現有技術的不足，本發明提供一種潮濕氣氛的高溫熔鹽環境下的電化學方法：a)該方法在潮濕氣氛的高溫熔鹽中電解制備氫氣；b)通過電解生成的氫原位還原氧化鐵、氧化鉬、氧化鉭、氧化鎳、氧化銅、氧化鈦或相應的混合氧化物等，制備相應的金屬或者合金；c)通過電解生成的氫原位還原氧化鐵、氧化鉬、氧化鉭、氧化鎳、氧化銅、氧化鈦或相應的混合氧化物等，制備相應的復合金屬氧化物；d)通過熔鹽電解生成的氫氣氫化陰極固態金屬，制備相應的金屬氫化物；該方法是一種流程短、耗能低的綠色冶金新工藝。

本發明的潮濕氣氛的高溫熔鹽電解制備氫氣的方法，具體為：在潮濕的熔鹽電解環境下，通過熔鹽電解制備氫氣；其中，熔鹽的溫度150～1000℃，熔鹽保護氣氛的水蒸氣含量為0.1～100Vol.％，熔鹽電解質為堿金屬和/或堿土金屬鹵化物的一元或多組元的混合物。