离子液体中稀土金属钕的绿色节能电沉积及其机理研究

This project aims to introduce the green solvent/electrolyte --ionic liquid into the field of metallurgy for rare earth metals, and thus to realize the green, environment friendly, energy-efficient, electrochemical preparation of rare earth metal neodymium. The main research is to study the solubility of Nd(III) in the ionic liquid, factors influencing on the preparation processing of rare earth metal neodymium, processing physicochemistry for rare earth metal neodymium, electrode process kinetics, and to deduce the electrodeposition mechanism of neodymium in the ionic liquids. Firstly, choose suitable positive and nagetive ions to form ionic liquid and apply NMR, IR, and Raman and electrochemical test to analyze their physical chemical properties, choose neodymium salts to form new system of ionic liquid and salt, study their consistency, and thus realize the factors to affect the electrodeposition, understand the effect of physicochemical property of ionic liquid on the electrodeposition, examine the morphology of the product applying SEM, XRD, and XRF et al., and explore the electrodeposition mechanism according to the electrode process kinetics as well. The success of this project will be helpful to the development of the energy-saving, green, electrochemical preperation of rare earth metal neodymium, which will make a significant theoretical and practical contribution to completing the theories for electrodeposition and ptomoting sustainable development of the rare earth industry in the near future.

本项目旨在将离子液体这种绿色溶剂/电解质引入到高能耗高污染的稀土冶金领域，实现稀土金属钕的绿色节能电沉积。重点研究钕离子在离子液体中的溶解性，金属钕制备过程影响因素，制备过程物理化学以及电极过程动力学从而确定钕在离子液体中的电沉积机理。首先选择合适的阴阳离子设计离子液体，并应用核磁、红外、拉曼等分析手段以及电化学测试手段获得离子液体的物理化学性能，选择有机稀土盐形成新体系并考察其在离子液体中的溶解性，进而研究离子液体中稀土金属电解过程的影响因素，离子液体的理化性质对稀土金属电沉积过程及产物的影响，应用SEM、XRD、XRF等分析手段考察产物的形貌及晶型，研究离子液体中稀土金属电沉积的电极过程动力学，深入探讨电沉积机理及规律等。本项目的成功实施将有助于稀土金属的绿色节能电沉积方法的开发，对于完善电沉积机理及推动稀土产业可持续发展都具有重要的理论和现实意义。

稀土冶炼过程能耗高、污染严重，稀土资源综合利用率低，严重影响了我国稀土产业的可持续发展。本研究首先从众多离子液体中选择了质优价廉的[EMIM][BF4]作为电解质，加入乙二醇（EG），可显著提高氯化稀土的溶解度，从而实现电沉积。氯化钕在乙二醇中的溶解过程为醇解过程，并确定了反应方程式。研究了钕离子和镧离子在[EMIM][BF4]-EG电解质体系中的电化学行为，发现二者在其中的还原过程均为受扩散控制的不可逆过程，其沉积电位在-1.05V～-1.7V之间，随沉积条件不同略有差异。在沉积过程中，过电位是驱动力，而过电位受到温度、离子浓度、沉积电位、pH值等因素的直接或间接影响，经过试验找到了这些影响因素的合理值，并在该条件下得到了含量>80%的Nd沉积层和含量>98%的La沉积层。通过计时电流、计时电位、循环伏安等方法研究了稀土金属电沉积机理，发现La3+的还原过程其扩散系数在10-6cm2/s，而Nd3+的扩散系数在10-10 cm2/s数量级，因此，二者形成的晶体具有较大差异，且由于扩散速度数量级降低，故钕的沉积物在试验条件下无法形成与镧类似的多层沉积层。同时根据实验结果与经验结果，获得了GC电极上稀土金属晶核生长的简单模型。该成果有助于推动稀土金属的绿色节能电沉积工艺的工业化开发，对于完善电沉积机理及推动稀土产业可持续发展都具有重要的理论和现实意义。