MAX相材料在LiCl-KCl熔盐中的抗腐蚀及电化学性能研究

Aiming at the corrosive problem of electrode materials existing in the application of molten salt electrolysis in the reprocessing of spent fuel, this issue proposes and studies a research programme in which the stratiform MAX phase materials are used as electrodes and their corrosion-resistance and electrochemical stability are studied in molten salt. The key task is the investigation of the corrosion mechanism and process. In theory, MAX phase materials are ideal electrode materials for molten salt electrolysis because they possess a combination of the merits of both the electrical conductivity of metals and the corrosion-resistance of ceramics. In experiment, Ti3SiC2, one typical MAX phase materials, are studied for its corrosion-resistance performance in LiCl-KCl molten salt in this issue. The electrochemical stability of Ti3SiC2 will also be tested by multiple electrochemical ways. The corrosion mechanism will be further discussed by the results of EIS. At last, the regular pattern of corrosion-resistance will provide the support that Ti3SiC2 are used as electrodes in theroy and exeperiment. This work will accumulate investigative basis for the application of molten salt electrolysis in the reprocessing of spent fuel.

本课题针对熔盐电解技术在乏燃料后处理中应用中存在的电极材料腐蚀问题，提出和研究具有新型层状结构的MAX相材料作为电极材料在熔盐中的抗腐蚀性能和电化学稳定性的技术方案，其核心是对MAX相材料腐蚀机制及过程的探讨。理论上，MAX相材料兼有金属导电和和陶瓷抗腐蚀的优点，因而是一种理想的可用于熔盐电解的电极材料。实验上，本课题选用具有典型MAX相结构的Ti3SiC2材料为研究对象，LiCl-KCl熔盐为研究体系，采用XRD、SEM、EDS等分析手段，获取Ti3SiC2在不同温度、气氛条件下的腐蚀动力学数据，并探讨增强相对其腐蚀行为的影响。利用多种电化学方法对Ti3SiC2在熔盐中的电化学稳定性进行评估，并利用电化学阻抗谱获取腐蚀过程数据，进一步研究腐蚀机制,总结腐蚀规律,为Ti3SiC2作为熔盐电解电极材料提供理论及数据支持，最终为熔盐电解技术在乏燃料后处理中的应用积累基础数据。

乏燃料后处理是充分利用天然铀资源，实现核燃料循环，确保核能可持续发展的关键途径。熔盐电解后处理技术在耐辐照性能和可在线处理方面具有优势，而寻找新型抗腐蚀能力的电极材料是解决熔盐电解过程应用的重要途径。MAX相材料同时具有金属和陶瓷的特点，因而是一种理想的用于熔盐电解的乏燃料后处理技术的电极材料。本课题拟开展MAX相材料在熔盐中的抗腐蚀行为研究，以LiCl-KCl熔盐为研究体系，典型MAX相结构的Ti3SiC2材料为研究对象，获取其腐蚀动力学数据，研究其腐蚀行为。测定Ti3SiC2材料的电化学行为特征，采用EIS谱图的变化特征来深入研究腐蚀机制和整个腐蚀过程，获取腐蚀规律。研究结果表明，Ti3SiC2在550°C几乎不受LiCl-KCl熔盐腐蚀；当温度升高到650 和750°C时，Ti3SiC2遭受腐蚀，腐蚀主要产物分别为TiO2和Li2TiO3，生成的氧化物在Ti3SiC2表面形成一层氧化保护层，阻止腐蚀反应进行。Ti3SiC2在比例为1：3，1：1和3：1的熔盐中的腐蚀程度几乎一致，表明熔盐组成对腐蚀行为影响较小。动电位极化研究表明，腐蚀电位随腐蚀时间是一先降低后增加的过程，腐蚀电流和腐蚀速率是一逐渐减缓的过程，表明样品的腐蚀是先快后慢的过程，与动力学研究一致。EIS图谱在高频段呈一较小圆弧，低频段呈较大圆弧，表明Ti3SiC2样品的阻抗谱为电容性，呈现容抗弧表明腐蚀过程中样品表面生成腐蚀产物而呈现电容特性。容抗弧半径的大小表明电子的样品表面传递的难易程度，与耐蚀性能的相关，阻抗值随着腐蚀时间的增加而增加，这表明样品表面的腐蚀产物起到了保护样品的作用。综上研究表明，Ti3SiC2具备良好的抗腐蚀性能，有望在乏燃料干法后处理中作为结构及电极材料得到应用。