基本信息
- 项目名称：
- 熔盐电脱氧法制备储氢材料ZrMn2合金的研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 根据制备AB2型储氢合金的发展现状，首次提高出了一种操作简单、能耗低，绿色环保的新型AB2型储氢合金的制备技术，即熔盐电脱氧技术制备储氢材料ZrMn2合金。采用电脱氧技术，在900℃的CaCl2熔盐中，采用恒电压电解，成功地制备了ZrMn2合金。该方法制备锡基合金，具有工艺简单、快速，无废弃物排放，绿色环保等优点，且得到粉末状合金，可以直接作为镍氢电池的电极材料。
- 详细介绍：
- AB2型储氢合金作为目前应用最广泛的储氢合金之一，具有活化容易、高倍率放电性能好、电催化活性好等特点。根据制备AB2型储氢合金的发展现状，首次提高出了一种操作简单、能耗低，绿色环保的新型AB2型储氢合金的制备技术，即熔盐电脱氧技术制备储氢材料ZrMn2合金。该技术的核心是将混合金属氧化物粉制成阴极并在低于熔盐分解的电压下电解，其间金属氧化物被电解还原并合金化，氧离子进入熔盐并迁移至阳极放电，在阴极则留下纯净的金属合金。 采用电脱氧技术，在900℃的CaCl2熔盐中，以烧结后的ZrO2-MnO2片体为阴极，高密度石墨碳棒为阳极，采用恒电压电解，成功地制备了ZrMn2合金。研究了烧结温度、电解电压及电解时间对电解过程的影响。采用电子扫描显微镜(SEM)分析了样品电解前后的微观形貌；采用X射线衍射仪(XRD)分析了电解产物的相组成。采用循环伏安法测试了制备的ZrMn2合金的电化学活性。结果表明：经900℃烧结的氧化物片，在3.1V电压下电解15小时，可制备出纯相的ZrMn2合金粉末。烧结温度越高，试样的孔隙率越低，颗粒越大，电解速率越慢，产物的颗粒越大。电解电压越高，电脱氧反应速率越快。所制备的ZrMn2合金粉末表现出良好的电化学活性。
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 设计该项目的目的：研究开发一种新型低成本、环境友好的ZrMn2合金制备工艺。 基本思路：采用电脱氧技术，在900℃的CaCl2熔盐中，以烧结后的ZrO2-MnO2片体为阴极，高密度石墨碳棒为阳极，采用恒电压电解，成功地制备了ZrMn2合金。研究烧结温度、电解电压及电解时间对电解过程的影响，优化其制备工艺。以微孔电极为工作电极，采用循环伏安法测试制备的ZrMn2合金的电化学活性。
科学性、先进性及独特之处
- (1) 首次采用熔盐脱氧法，以金属氧化物混合物为原料，直接制备ZrMn2储氢合金粉末，该方法具有工艺简单、无废弃物排放、绿色环保等优点，且得到粉末状合金，可以直接作为镍氢电池的电极材料。 (2) 研究ZrMn2合金的形成过程，发展熔盐脱氧法制备AB2储氢合金技术和研究其合成机理，为实现AB2型储氢合金合金的可控制备提供理论指导。 (3) 首次采用微孔电极研究了ZrMn2合金的电化学性能。
应用价值和现实意义
- 采用熔盐电解法制备出均匀的、组成单一的ZrMn2合金。该具有工艺简单、快速，无废弃物排放，绿色环保等优点，且得到粉末状合金，可以直接作为Ni－MH电池的电极材料。所制备的合金材料表现出良好的电化学活性。本课题研究成果在电池领域具有广泛的应用前景，对储氢合金的研究与制备有着重要的指导意义。
学术论文摘要
- 采用电脱氧技术，在900℃的CaCl2熔盐中，以烧结后的ZrO2-MnO2片体为阴极，高密度石墨碳棒为阳极，采用恒电压电解，成功地制备了ZrMn2合金。研究了烧结温度、电解电压及电解时间对电解过程的影响。采用电子扫描显微镜(SEM)分析了样品电解前后的微观形貌；采用X射线衍射仪(XRD)分析了电解产物的相组成。采用循环伏安法测试了制备的ZrMn2合金的电化学活性。结果表明：经900℃烧结的氧化物片，在3.1V电压下电解15小时，可制备出纯相的ZrMn2合金粉末。烧结温度越高，试样的孔隙率越低，颗粒越大，电解速率越慢，产物的颗粒越大。电解电压越高，电脱氧反应速率越快。所制备的ZrMn2合金粉末表现出良好的电化学活性。
获奖情况
- 无
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] Chen G Z, Fray D J, Farthing T W. Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calciumchloride[J]. Nature, 2000, 407: 361~364. [2] Schwandta C, Alexanderb D T, Fray D J. The electro-deoxidation of porous titanium dioxide precursors in molten calcium chloride under cathodic potential control[J]. Electrochimica Acta, 2009, 54: 3819~3829 [3] Qiu G H, Feng X H , Liu M M , et al. Investigation on electrochemical reduction process of Nb2O5 powder in molten CaCl2 with metallic cavity electrode[J]. Electrochimica Acta, 2008, 53: 4074~4081 [4] Yan X Y, Fray D J. Electrochemical studies on reduction of solid Nb2O5 in molten CaCl2-NaCl eutectic[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2005, 152(1): 12~21. [5] Bhaga R, Jackson M., Inman D, et al. Production of Ti–W alloys from mixed oxide precursors via the FFC cambridge process[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2009, 156: E1~E7
同类课题研究水平概述
- Ni－MH二次电池是目前广泛使用的便携式能源之一。电极材料是Ni－MH电池的重要组成部分，特别是负极材料-储氢合金用量大，价格高，是影响电池性能和生产成本的关键因素，因此研究开发新型高性能、低成本负极材料制备工艺是Ni－MH电池研究开发工作的重要内容，一直倍受人们的重视。 AB2型储氢合金作为目前应用最广泛的储氢合金之一，具有活化容易、高倍率放电性能好、电催化活性好等特点。目前，储氢合金的制备方法主要采用传统的熔炼法，该工艺虽然较成熟，但存在工艺复杂、能耗高、合金成分不易控制、粉末形状不规则等缺点。近些年，出现了一些制备储氢合金的新方法，如机械合金法、化学合成法、氢化燃烧法、电化学还原等。其中直接从金属氧化物电脱氧制备合金，即电脱氧法是目前备受关注的一种新型制备金属或合金的方法，最为著名的是英国剑桥大学的FFC工艺。 FFC工艺核心是将混合金属氧化物粉制成阴极并在低于熔盐分解的电压下电解，其间金属氧化物被电解还原并合金化，氧离子进入熔盐并迁移至阳极放电，在阴极则留下纯净的金属合金。该方法以混合金属氧化物粉为原料经一步电解即可得到金属合金粉末，不仅缩短了工艺流程，也减少了能耗和环境污染，从而可大幅度地降低稀土合金的制备成本；与此同时，由于混合氧化物的组成（制样）和还原程度（电解电压和时间）易于调控，很适合功能材料的制备。 目前采用该方法已成功制备出Ti、Ni、Nb、Cr、Nb3Sn、TbFe2、TbNi5及 LaNi5等金属或合金。与传统制备方法相比，该技术具有以下优点：(1) 大大降低了生产成本，以钛为标准计算，大约降低50％；(2) 大大降低了产物中的氧含量，可得到很纯的金属或金属合金；(3) 工艺生产周期短；(4) 该工艺可用于多种加工难、成本高、活性强的金属；(5) 该工艺制备金属合金，合金成分易控制，晶型均一；(6)该工艺可直接制备出粉末状金属或合金。(7) 该工艺中的副产品只有阳极析出的气体，为纯氧气(惰性阳极)或CO和CO2的混合气体(石墨阳极)，易于控制，无污染。由于FFC工艺具有以上优点，满足了AB2型储氢合金要求合金成分稳定、试样易破碎成不同尺寸的粉末等特点。采用该方法制备AB2型储氢合金材料具有规模化生产和发展的前景。
