CN101768760B - 一种铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料及其制备方法。该阴极材料以泡沫钛为基体材料，采用熔盐电沉积法在泡沫钛基体表面沉积TiB2镀层，再经固渗法处理得到的在TiB2镀层与基体钛之间存在TiB晶须层的阴极材料。该阴极材料沉积TiB2层与基体之间的结合强度高，在使用条件下TiB2层不易从基体上脱落，从而有效延长阴极材料的使用寿命，而其多孔结构实现了与铝液完全润湿。上述阴极材料的制备方法，是以泡沫钛为基体，先采用熔盐电沉积法在泡沫钛基体表面沉积TiB2镀层；再进行固渗热处理，使得基体钛与TiB2镀层之间形成TiB晶须层，即得。该方法工艺简单，易控，生产成本低。
Description
技术领域
本发明涉及铝电解用阴极材料，具体涉及铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料及其制备方法。
背景技术
现行铝电解技术一直采用碳素材料作为铝电解槽的阴极材料，由于金属铝液与炭阴极材料表面的润湿性极差，现行电解槽中必须保持一定厚度的铝液以避免因碳素阴极表面暴露于电解质之中而引起的电极反应不稳定。现行铝电解槽中的铝液厚度通常为20cm左右，如此厚的铝液在电磁力的作用下会发生运动，使铝液与电解质界面都发生变形。铝液的运动和界面形变都会影响电流效率。为了平稳生产并获得较高的电流效率，现行电解槽不得不在较高的极距下进行生产(通常在4cm以上)。高极距导致高的槽电压，进而导致高能耗(电能效率低)。为此，人们致力于能被铝液完全湿润的阴极材料的研究和开发，力求与铝液润湿的阴极表面只需要保存较薄的铝液就能形成平稳的阴极电极反应的界面，不再产生主要由磁场引起的铝液波动和界面形变问题，从而可以大幅度降低极距，实现节能目标。
TiB2由于能与铝液完全润湿，且具有优良的导电性，已成为制造铝电解用可润湿、惰性阴极的首选材料。众多的学者和企业对多种TiB2材料进行了广泛研究和试验性应用，其中包括TiB2陶瓷、TiB2复合陶瓷、TiB2/碳素复合材料和TiB2阴极涂层等等。但是，上述这些材料都或多或少的存在着以下不足：如与铝液润湿性不良、抗冰晶石熔盐和铝液腐蚀性差、与基体结合不够紧密、抗热震性差或热膨胀系数不均等，有待于进一步的深入研究。
采用熔盐电沉积法在导电基材表面沉积TiB2形成的复合材料具有理想惰性可湿润性阴极的潜质，是TiB2阴极材料的研究热点之一。国内外研究表明，熔盐电沉积法在导电基材表面沉积TiB2制备阴极材料具有成本低廉，原料来源容易获得，相对较低的合成温度，特别适用于大规模工业化生产；可以适用于涂覆具有复杂形状的基体材料；镀层光滑，涂层杂质少；通过改变电沉积工艺参数可以控制涂层涂覆颗粒的大小、形状和沉积速度，易于实现工业化生产等优点。然而，以往这类阴极材料的基本上都采用石墨为基体材料，只有个别研究采用金属钼或钢作为基体材料。由于石墨、金属钼或钢都与沉积TiB2在热膨胀系数、密度等方面存在较大的差异，因而在高温铝电解条件下，沉积TiB2层与基体的结合力会变弱，TiB2层容易开裂，甚至从基体上脱落，从而直接影响其使用寿命。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料。这种阴极材料较好地解决了石墨基或钼基电沉积TiB2复合阴极材料在高温铝电解条件下TiB2涂层与基体之间结合强度低的问题，有效延长了阴极材料的使用寿命。
本发明要解决的另一个技术问题是提供上述铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的制备方法。
本发明所述的铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料，它是以泡沫钛为基体材料，采用熔盐电沉积法在泡沫钛基体表面沉积TiB2镀层，再在800～1200℃条件下进行固渗热处理5～20h得到的在TiB2镀层与基体钛之间存在TiB晶须层的阴极材料。由于TiB2、TiB晶须和Ti的密度以及热膨胀系数都十分接近，其性能又呈梯度变化，因而沉积TiB2层与基体之间的结合强度高，在使用条件下TiB2层不易从基体上脱落，从而有效延长阴极材料的使用寿命。本发明以泡沫钛为基体形成的TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料，在实际铝电解过程中可实现让铝液“包含”在多孔阴极材料之中，形成稳定的液固复合材料，彻底解决了铝液与阴极材料的润湿性问题，确保了惰性可润湿性阴极在各类新型铝电解槽中都能获得稳定的阴极反应界面，实现了铝液与阴极的真正润湿，为实现铝电解低极距生产提供了条件。
上述铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的制备方法，包括以下步骤：
1)以泡沫钛为基体材料，采用熔盐电沉积法在泡沫钛基体表面沉积TiB2镀层；
2)将沉积有TiB2镀层的泡沫钛在800～1200℃条件下进行固渗热处理5～20h，使得基体钛与TiB2镀层之间形成TiB晶须层，从而得到TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料。
其中，步骤1)中，电沉积温度为700℃～800℃，电流密度为0.4～0.8A/cm2，Ti与B的摩尔比为1∶2.5～1∶15，沉积时间为30～60min。泡沫钛的孔径以2.5～160μm为宜。
本发明所采用的支撑电解质为冰晶石体系、氟化体系或氟化物/氯化物体系；电沉积活性组分为氟钛酸盐体系、氟硼酸盐体系或氧化物体系。所述的这些原材料在使用前均需要进行干燥处理，干燥的温度一般不超过200℃。
上述制备方法工艺简单，易控，生产成本低。
具体实施方式
实施例1
1)以KF和KCl的混合物为支撑电解质(KF和KCl的摩尔比为45∶3)，电沉积活性物质为K2TiF6和KBF4混合物(K2TiF6和KBF4的摩尔比1∶2.5)，上述物质在200℃条件下先干燥后再使用；
2)利用直流电源以泡沫钛(孔径2.5μm，样品尺寸：90×50×15mm)为基体材料在泡沫钛基体上用熔盐电沉积法沉积TiB2镀层，其中阴极电流密度为0.5A/cm2，温度维持在700℃，电沉积时间为40min；
3)将具有TiB2镀层的泡沫钛在800℃条件下进行固渗处理20h，使得在TiB2层和基体钛层之间形成一层TiB晶须层，从而得到本发明所述的铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料。
对上述制得的阴极材料采用模拟铝电解试验方法测试该阴极材料与铝液的润湿性能。模拟铝电解试验条件如下：
电解温度970℃；电流密度0.9A/cm2；电解质分子比2.27；电解质组成为79.48mass％Na3AlF6+10.34mass％AlF3+5.17mass％CaF2+5.00mass％Al2O3，电解时间15h，极距10mm。
实验结果显示，在TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的内部，铝液被均匀的“包含”在多孔结构中，整个TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的界面处均匀分布着一薄层铝液层，说明该材料与铝液润湿良好。
实施例2
1)采用脉冲电沉积法，以KF和KCl的混合物为支撑电解质(KF和KCl的摩尔比为45∶3)，电沉积活性物质为K2TiF6和KBF4混合物(K2TiF6和KBF4的摩尔比1∶10)，上述物质在150℃条件下先干燥后再使用；
2)以泡沫钛(孔径30μm，样品尺寸：90×50×15mm)为基体材料在泡沫钛基体上用熔盐电沉积法沉积一层TiB2镀层，其中阴极电流密度为0.4A/cm2，脉冲宽度Ton＝7.5ms，脉冲间隔Toff＝2.5ms，电沉积温度保持720℃，电沉积时间30min；
3)将具有TiB2镀层的泡沫钛用固渗法进行后期处理，其中处理温度为1100℃，反应时间为18h，得到本发明所述的铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料。
对上述制得的阴极材料采用模拟铝电解试验方法测试该阴极材料与铝液的润湿性能。模拟铝电解试验条件同实施例1。
实验结果显示，在TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的内部，铝液被均匀的“包含”在多孔结构中，整个TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的界面处均匀分布着一薄层铝液层，说明该材料与铝液润湿良好。
实施例3
1)以KF和KCl的混合物为支撑电解质(KF和KCl的摩尔比为45∶3)，电沉积活性物质为K2TiF6和KBF4混合物(K2TiF6和KBF4的摩尔比1∶5)，上述物质在100℃条件下先干燥后再使用；
2)利用直流电源以泡沫钛(孔径10μm，样品尺寸：90×50×15mm)为基体材料在泡沫钛基体上进行熔盐电沉积，其中阴极电流密度为0.45A/cm2，温度维持在750℃，电沉积时间为35min；
3)将具有TiB2镀层的泡沫钛用固渗法进行后期处理，其中处理温度为900℃，反应时间为10h，即得到本发明TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料。
对上述制得的阴极材料采用模拟铝电解试验方法测试该阴极材料与铝液的润湿性能。模拟铝电解试验条件同实施例1。
实验结果显示，在TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的内部，铝液被均匀的“包含”在多孔结构中，整个TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的界面处均匀分布着一薄层铝液层，说明该材料与铝液润湿良好。
实施例4
1)以LiF和KF的混合物为支撑电解质(LiF和KF的摩尔比为1.5∶1)，熔盐电沉积活性物质为TiO2和B2O3(TiO2和B2O3的摩尔比1∶7.5)，上述物质在120℃条件下先干燥后再使用；
2)利用直流电源以泡沫钛(孔径60μm，样品尺寸：90×50×15mm)为基体材料在泡沫钛基体上进行熔盐电沉积，其中阴极电流密度为0.6A/cm2，温度维持在800℃，电沉积时间为60min；
3)将具有TiB2镀层的泡沫钛用固渗法进行后期处理，其中处理温度为1000℃，反应时间为8h，即得到本发明所述的TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料。
对上述制得的阴极材料采用模拟铝电解试验方法测试该阴极材料与铝液的润湿性能。模拟铝电解试验条件同实施例1。
实验结果显示，在TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的内部，铝液被均匀的“包含”在多孔结构中，整个TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的界面处均匀分布着一薄层铝液层，说明该材料与铝液润湿良好。
实施例5
1)以LiF和KF的混合物为支撑电解质(LiF和KF的摩尔比为1.5∶1)，熔盐电沉积活性物质为TiO2和B2O3(TiO2和B2O3的摩尔比1∶6)，上述物质在100℃条件下先干燥后再使用；
2)利用直流电源以泡沫钛(孔径100μm，样品尺寸：90×50×15mm)为基体材料在泡沫钛基体上进行熔盐电沉积，其中阴极电流密度为0.8A/cm2，温度维持在780℃，电沉积时间为50min；
3)将具有TiB2镀层的泡沫钛用固渗法进行后期处理，其中处理温度为1200℃，反应时间为5h，即得到本发明TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料。
对上述制得的阴极材料采用模拟铝电解试验方法测试该阴极材料与铝液的润湿性能。模拟铝电解试验条件同实施例1。
实验结果显示，在TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的内部，铝液被均匀的“包含”在多孔结构中，而且在TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极表面与电解质界面处均匀分布着一薄层铝液层，说明该材料与铝液润湿良好。
实施例6
1)采用脉冲电沉积法，以KF和KCl的混合物为支撑电解质(KF和KCl的摩尔比为1.5∶1)，电沉积活性物质为TiO2和B2O3混合物(TiO2和B2O3的摩尔比1∶4.5)，上述物质在80℃条件下先干燥后再使用；
2)以泡沫钛(孔径160μm，样品尺寸：90×50×15mm)为基体材料在泡沫钛基体上用熔盐电沉积法沉积一层TiB2镀层，其中阴极电流密度为0.75A/cm2，脉冲宽度Ton＝7.5ms，脉冲间隔Toff＝2.5ms，电沉积温度保持750℃，电沉积时间40min；
3)具有TiB2镀层的泡沫钛用固渗法进行后期处理，其中处理温度为950℃，反应时间为20h，即得到本发明所述的TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料。
对上述制得的阴极材料采用模拟铝电解试验方法测试该阴极材料与铝液的润湿性能。模拟铝电解试验条件同实施例1。
实验结果显示，在TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的内部，铝液被均匀的“包含”在多孔结构中，整个TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的界面处均匀分布着一薄层铝液层，说明该材料与铝液润湿良好。
Claims (5)
1.一种铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料，其特征在于：它是以泡沫钛为基体材料，采用熔盐电沉积法在泡沫钛基体表面沉积TiB2镀层，再在800～1200℃条件下进行固渗热处理5～20h得到的在TiB2镀层与基体钛之间存在TiB晶须层的阴极材料。
2.权利要求1所述的铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)以泡沫钛为基体材料，采用熔盐电沉积法在泡沫钛基体表面沉积TiB2镀层；
2)将沉积有TiB2镀层的泡沫钛在800～1200℃条件下进行固渗热处理5～20h，使得基体钛与TiB2镀层之间形成TiB晶须层，从而得到TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料。
3.根据权利要求2所述的铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，电沉积温度为700℃～800℃，电流密度为0.4～0.8A/cm2，Ti/B摩尔比为1∶2.5～1∶15，沉积时间为30～60min。
4.根据权利要求2所述的铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的制备方法，其特征在于：步骤1)中，泡沫钛的孔径为2.5～160μm。
5.根据权利要求2～4中任何一项所述的铝电解用TiB2-TiB/Ti梯度复合多孔阴极材料的制备方法，其特征在于：溶盐电沉积法所采用的支撑电解质为冰晶石体系、氟化物体系或氟化物/氯化物体系；电沉积活性组分为氟钛酸盐-氟硼酸盐体系或氧化物体系。
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