高温低压下Al-C-O-Cl相互作用的机理研究

对氧化铝碳热还原氯化歧化反应中Al-C-O-Cl相互作用的研究发现，碳热还原反应生成的Al4CO4、Al4C3、Al2CO等物质是氯化过程的主要反应物，但以上物质在氯化过程中的行为，Al4CO4、Al4C3、Al2CO的生成机理及歧化反应过程中金属铝的冷凝、形核机理如何尚不清楚。本项目研究高温低压条件下氧化铝碳热还原氯化歧化反应的机理，采用量子化学、量子动力学方法研究碳热还原、氯化、歧化过程多相反应的界面反应机理，重点研究Al-C-O-Cl体系中Al2O3与C的反应动力学行为，CO与金属铝及铝的碳氧化物的相互作用及AlCl3与Al4CO4、Al4C3的相互作用机理。结合实验研究，采用分子动力学模拟方法对多相反应体系及相变过程进行模拟，获得此多相反应体系的传质及相变过程特征，建立氧化铝碳热还原氯化歧化反应的动力学模型。项目可为寻找新的炼铝方法提供系统的理论指导及方法。

针对炼铝新方法氧化铝碳热还原氯化歧化反应中的三个关键问题，采用热力学计算、量子化学、从头算分子动力学方法对高温低压下氧化铝碳热还原、氯化、歧化过程中反应的界面反应机理、多相反应过程进行计算及模拟，配合相应的实验研究结果，为高温低压下氧化铝碳热还原歧化反应的实验研究提供较为系统的理论基础。.通过对碳热还原过程的研究，获得了1760K，60Pa条件下，氧化铝与碳反应生成气态产物先后顺序，以及碳热还原反应物及中间产物分别与碳及一氧化碳相互作用的强弱顺序。获得了1760K，60Pa下氧化铝碳热还原反应的可能反应机理，依据此机理可判断参与反应的碳量对反应产物成分有影响，氧化铝与碳摩尔比超过1:4.5，产物中碳化铝含量较多，低于1:4.5，产物中铝的碳氧化物较多。低价氧化铝气体与碳及一氧化碳的反应在冷凝区亦会发生，这些反应的发生不利于后续的氯化反应的进行。.通过对氯化过程的研究，获得了在1760K，60Pa条件下碳热还原反应物及中间产物的氯化活性顺序，结果显示碳化铝在有氧存在条件下，更易发生氯化反应，生成低价氯化铝气体，且理论研究结果与实验研究结果一致。理论研究也表明，低价氧化铝气体在与碳共存情况下也可发生氯化反应。因此为提高氯化效率，可考虑在碳热还原阶段并行氯化反应。 . 对歧化反应过程的理论计算结果显示AlCl歧化反应过程中，[AlCl]n 团簇能稳定存在， [AlCl]n(n=1～10)团簇稳定存在的基态结构大都是以[Al]n骨架外接n个Cl原子成型，且具有较好的成长趋势，即在歧化法制备金属铝过程中，气相中的低价氯化铝可形成[AlCl]n团簇，并以此为晶核持续长大。对AlCl在铝晶面上歧化反应过程的研究结果明确了AlCl在金属铝表面的歧化反应的速控步骤及反应机理。. 在阐明各阶段反应机理的情况下，明确了反应的动力学模型。此外还提出了氮化铝氯化歧化反应制备金属铝的新思路。.研究结果表明结合量子化学计算与从头算分子动了学模拟方法，可有效地对高温真空下的冶金过程反应机理进行研究。