Zn阴极上电解提取Yb及Zn-Yb合金的制备

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现代科技中合金在材料中占有不可或缺的地位,生活中合金处处可见,被应用于各个领域中。其中镁合金、铝合金与锌合金等更是在机械、汽车、航天和电子领域中被广泛使用。但硬度低、弹性模量低等缺点限制了镁基、铝基与锌基合金的进一步应用。稀土元素作为合金中的添加剂能够大大改善合金的性能。本文以稀土Yb为研究对象,研究Yb(Ⅲ)离子和Zn(Ⅱ)离子在 LiCl–KCl熔盐体系中,W电极上的共沉积过程以及Yb(Ⅲ)离子在液态Zn电极上的电化学行为和还原过程,并采用熔盐电解法从熔盐中提取Yb,制备Zn–Yb合金,用XRD、SEM和EDS对合金样品进行了表征及分析。  1、LiCl–KCl熔盐中,W电极上,813 K下,首先利用循环伏安法和方波伏安法研究了Yb(Ⅲ)离子的电化学行为,然后利用循环伏安、方波伏安、开路计时电位、计时电位方法研究Yb(Ⅲ)离子在LiCl–KCl–YbCl3中,液态Zn电极上的沉积机理。在W电极上,通过计算Yb(Ⅲ)离子的转移电子数得知,Yb(Ⅲ)离子还原为金属Yb经过两步电子转移,但由于 Yb(Ⅱ)→Yb(0)的还原电位在 Li(Ⅰ)离子之后,无法在电势窗口内观察到,所以在LiCl–KCl熔盐中,本论文只计算了Yb(Ⅲ)→Yb(Ⅱ)过程的有关数据。Yb(Ⅲ)离子还原为Yb(Ⅱ)离子为可逆反应,并且受扩散控制,Yb(Ⅲ)离子的扩散系数为1.12×10-5 cm2·s-1。利用循环伏安曲线计算了YbCl3的吉布斯自由能及活度系数。在液态Zn电极上,当电极电位为-1.72 V和-1.90 V时,对应两种合金的析出。Yb(Ⅲ)离子在液态Zn上发生欠电位沉积,获得了两种金属间化合物。恒电流电解3 h得到球状Zn–Yb合金,并利用XRD、SEM和EDS分析合金的形貌和组成。  2、采用循环伏安、方波伏安等电化学研究方法研究 Zn(Ⅱ)离子和 Yb(Ⅲ)离子在LiCl–KCl熔盐体系中的电化学行为。通过与相图的对比,得到相图中所有金属间化合物的析出电位。通过恒电位电解法,使Zn(II)离子和Yb(Ⅲ)离子共电沉积提取Yb,并计算了提取效率为99.49%。利用恒电流电解法在LiCl–KCl–ZnCl2–YbCl3熔盐体系中制备了YbZn2、YbZn11和Yb3Zn11合金并利用XRD、SEM和EDS对合金进行分析。  3、在813 K下,LiCl–KCl–ZnCl2熔盐中,通过不同电化学测试方法研究Yb2O3的电化学行为,实验表明:Yb2O3在LiCl–KCl–ZnCl2熔盐中的溶解度不高,所形成的合金峰很弱,这也证明了ZnCl2对Yb2O3的氯化效果很微弱。再利用XRD、SEM和EDS分析恒电流电解法得到的Zn–Yb合金,分析结果也表明合金中的元素Yb含量很少。
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