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随着化学工业、高碳锰铁冶金工业以及新能源材料产业的快速发展,熔盐电化学法在这些领域的应用也更加受到重视。

高碳锰铁人们不仅通过熔盐电化学方法成功制备了镁、锂、钠等活泼金属,还实现了多种难熔金属以及稀土合金的熔盐制备工艺。当前,因其环保绿色的方法特点,熔盐电化学方法在多孔碳的制备领域也备受关注。碳素铁合金是指采用碳热还原氧化矿得到的碳饱和高碳铁合金,主要包括高碳锰铁与高碳铬铁。从平衡相图看,含碳量在6-8 wt%的高碳铬铁与高碳锰铁的平衡相全部为金属碳化物。通过一定方法将金属碳化物中的金属全部提出,提取出的金属为一种有效的钢铁添加剂,剩下的残渣便是含有大量孔隙结构的多孔碳,即碳化物衍生碳(Carbide derived carbon,CDC)。本文介绍了几种金属碳化物通过熔盐电化学方法制备纯净金属的工艺,进而继续介绍了新型多孔碳化物衍生碳(CDC)的熔盐制备方法。并且在此基础上做了一些主要的研究,其研究内容以及相关结论如下:(1)选取710℃的Na Cl-KCl熔盐体系,通过循环伏安,方波伏安,计时电位以及计时电流的方法,研究了Cr2+在此条件中的电化学行为,并通过恒压电解探究该条件电解的可行性。结果发现:Cr2+在W电极上一步还原,即Cr2++2e-=Cr。通过循环伏安和计时电位两种方法得知Cr2+在W电极上的还原是由扩散控速的准可逆反应,计算所得扩散系数分别为1.27×10-5 cm2·s-1,2.24×10-5 cm2·s-1。Cr2+在W电极上的晶体成核模式为瞬间三维成核。Na Cl-KCl-Cr Cl2体系中的恒电压电解结果表明在W电极上恒压电解金属铬是可行的。(2)高碳锰铁在研究了Cr2+在710℃的熔融Na Cl-KCl熔盐体系中的电化学行为以及电解的可行性之后。以Na Cl-KCl熔盐为电解质,高碳铬铁作为工作电极,钨丝为对极,Ag/Ag Cl为参比电极,在阳极电极电势为0.3V(vs.Ag/Ag Cl)恒压条件下实现一步熔盐电解高碳铬铁制备低碳铬铁。通过方波伏安法研究阳极溶出铬离子在该体系中的价态以及阴极还原行为。采用扫描电镜(SEM)、能谱(EDS),X射线衍射(XRD)和碳硫分析对阴极电解产物进行微观分析和物相表征。实验表明:阳极铬以二价铬离子形式溶出,且阳极中金属铬优先于铁氧化进入熔盐;低碳铬铁合金为粒径为0.5-2μm的球状颗粒;阴极产物低碳铬铁碳含量仅为0.24wt%。(3)以Na Cl-KCl熔盐为电解质,重熔的高碳锰铁作为阳极,钨丝为阴极,以2.5V恒定槽电压进行电解,在制备锰铁合金的同时获得衍生碳。在恒压电解过程中,高碳锰铁阳极中金属被氧化成离子进入熔盐,而后在阴极沉积,阳极剩下多孔碳。通过XRD,SEM,Raman以及TEM的表征分析,发现电解后的高碳锰铁阳极为同时具有微孔,介孔和大孔结构的高度石墨化的分级多孔碳化物衍生碳材料。低温氮气吸附测试结果同时也证明了该材料的多级孔径分布,且其表面积为171m2/g。阴极沉积物的XRD结果显示为锰铁合金,通过电镜的表征分析发现其微观形态为粒径为0.5μm-2μm的球状颗粒。碳含量分析阴极产物碳含量为0.59wt%。阳极和阴极电流效率分别为92%和80%。高碳锰铁所有结果证实通过熔盐电解法同时制备低碳锰铁合金和分级碳化物衍生碳是可行的。

高碳锰铁