Al-C-O-N体系中元素铝演变行为的机理研究

Study on the reaction of alumina carbothermic nitride decomposition under vacuum indicated that aluminum can be obtained from Al-C-O-N reaction system, however, the behavior of Al2O in alumina carbothermic process under high temperature low pressure, the formation mechanism and vacuum thermal decomposition mechanism of AlN are not clear. This project aims to conduct a thermodynamic study on the system firstly, obtain the thermodynamic equilibrium relationship between the main material in the system, clear the main reaction in the system, on this foundation, conducts the research in view of the interfacial reaction mechanism of the thermal decomposition reaction of AlN and alumina carbothermic nitride in high-temperature and vacuum by quantum chemistry and ab initio molecular dynamics . The research focuses on the interaction of the mainly gas phase Al2O, N2, CO with solid phase Al2O3, AlN in Al-C-O-N system during carbothermic nitridation process , and the interaction of N2, Al with AlN phase in Al-N system during thermal decomposition process of AlN ,and the reactions between the gas phase composition, Experimental research will be carried out on the basis of this work, the reaction mechanism and reaction kinetic model of the reaction alumina carbothermic nitride decomposition under high temperature under low pressure will be obtained, the project will provide system theoretical basis for looking for a new method of aluminum smelting.

研究发现可自高温真空下Al-C-O-N体系中分离获得金属铝，然而高温低压下氧化铝碳热氮化过程中Al2O的行为、AlN的形成机理及其真空热分解机理尚不清楚。本项目拟先对该体系进行热力学研究，获得体系中主要物质的热力学平衡关系，明确体系中的主要反应，在此基础上，针对这些反应采用量子化学及从头算分子动力学对高温真空下氧化铝碳热氮化反应及氮化铝热分解反应的界面反应机理进行研究。重点研究氧化铝碳热氮化过程中Al-C-O-N体系中的主要气相成分Al2O、N2、CO与体系中的主要固相成分Al2O3、AlN之间的相互作用,以及热分解过程中Al- N体系中的主要气相成分N2、Al与AlN之间的相互作用，以及气相成分间的相互反应，并在此基础上开展实验研究，以获得高温低压下氧化铝碳热氮化热分解反应的机理及反应动力学模型，项目可为寻找新型炼铝方法提供系统的理论基础。

金属铝是支撑我国国民经济发展的重要基础材料。开展低耗能的铝冶炼新工艺、新技术研究，具有十分重要的战略和现实意义。氧化铝碳热氮化热分解制备金属铝的方法是课题组针对氧化铝直接碳热还原中间产物多、转化率低的问题提出的制备金属铝的新方法。.项目在对氧化铝真空碳热氮化及氮化铝真空热分解反应体系开展系统的热力学研究的基础上，采用量子化学、从头算分子动力学方法对氧化铝真空碳热氮化反应在高温低压下的碳热还原、氮化过程以及制备得到的氮化铝真空热分解过程中的界面化学反应机理、多相反应过程进行了模拟计算，并配合理论计算开展了相应的实验研究。.研究结果表明，真空条件下制备氮化铝的最佳实验条件为1550℃、2.5小时和300Pa，在该条件下氧化铝可以全部被转化成AlN，该时间较传统常压或者加压条件下氧化铝碳热氮化制备氮化铝的时间大大缩短，原因是真空下氧化铝碳热氮化反应机理不同于常压或加压下的反应机理，氧化铝真空碳热还原氮化法制备AlN的过程中不会产生气态金属铝或者铝的低价氧化物，真空条件使得氧化铝碳热还原可以生成Al2CO及Al4C3，而这两者生成氮化铝的反应极易进行，反应路径为Al2O3→Al2CO/Al4C3→Al6C3N2→AlN，从而使得氧化铝真空碳热氮化制备氮化铝的过程所需反应时间较传统方法大大缩短。研究亦表明氧化铝碳热氮化反应过程中N2的扩散速率是影响产物氮化率最主要的因素之一，碳在氧化铝碳热氮化反应过程中起到催化活化氮分子的作用。真空碳热氮化制备氮化铝得到的氮化铝产物为w型氮化铝，而动力学模拟表明w型氮化铝较z型氮化铝更易分解，通过在真空下分解w型氮化铝的实验研究也制备得到了金属铝，氮化铝真空热分解制备金属铝的最佳条件为：炉内真空度为7.5～70Pa；分解温度为1660℃、保温时间为1h。研究结果高温低压下氧化铝碳热氮化真空热分解制备金属铝的研究提供了较为系统的理论基础。