铁在熔盐体系中的赋存状态及其在沉积过程中的电化学机理

There are less papper about the use of molten salt for preparing high purity iron. It is theoretically possible to shorten the process of using of molten salt in the preparation of high purity iron. The main work is to preparate the high purity iron by molten salt electrolysis, and to discover the electrochemical mechanism of Fe in Molten Salt. Use the detection equipment and related software to reveal the mechanism of anodic reaction. Research results provide a theoretical basis for the preparation of high purity iron with salt electrochemistry.

熔盐电解具有流程短、提纯效率高、提纯效果好等特点，熔盐法提纯金属，在工业上得到了广泛的应用。利用熔盐特性制备高纯铁目前相关资料较少，利用熔盐法制备高纯铁在理论上可以缩短流程，同时在高温熔盐环境下可以克服水溶液中二价铁氧化成三价铁。拟开展的工作基于熔盐体系熔盐电沉积制备高纯铁的研究，揭示熔盐体系电沉积过程中铁的电化学反应机理。并利用相关检测设备及软件，来揭示阳极反应机理。期望研究成果对熔盐电化学制备高纯铁提供理论基础，并开发出具有自主知识产权绿色节能的工艺路线。

本成果属于应用于冶金生产领域的基础研究，利用熔盐法以铁氧化物为研究对象制备单质铁。通过热力学计算及多种电化学测试方法研究从铁氧化物中还原制备金属铁的过程，阐明还原机理；利用恒电位实验方法对还原过程进行分析，并根据结果研究了还原条件对还原过程及产物的影响规律；对实验过程进行了优化，主要研究结果：.通过差热分析法对熔盐体系的初晶温度进行分析以确定实验温度，在实验温度条件下，铁氧化物在NaCl-KCl-NaF和NaCl-CaCl2两种熔盐体系中的溶解形式为物理溶解；采用电化学方法测试了不同阳极条件下熔盐体系的电化学窗口，石墨电极的电化学窗口相比较Pt阳极较宽且平整，对电解出的氧离子亲和性较高。.通过热力学理论分析及动力学研究，Fe2O3/Fe3O4添加到熔盐中在以Pt为工作电极上的电化学还原过程与金属孔洞电极（MCE-Fe2O3/Fe3O4）和涂覆电极（FCE-Fe2O3/Fe3O4）为工作电极时铁的还原过程一致，Fe2O3还原为铁的过程均通过三步得电子过程完成，Fe3O4还原为铁的过程均通过两步得电子过程完成，反应过程为扩散控速，遵循变价元素氧化物的变化规律，逐级分解为低价氧化物，最后得到金属铁（Fe2O3→Fe3O4→FeO→ Fe），O2- 脱除过程为受扩散控制的不可逆过程。.电沉积制备金属铁时，沉积层表面颗粒大小随电流密度的增大而增大，因此电流密度的大小对表面晶粒的结构、成分、厚度等存在一定的影响。当铁氧化物与熔盐摩尔比例为2%，沉积8~10h，沉积温度750℃~800℃时，电流密度为1.0A/cm2时，晶粒变得细小均匀，晶粒在沉积片表面分布均匀且致密，表面平整，沉积效果较好；恒电位电解时，通过调整电解电压可以控制还原产物形貌，当施加1.2V的电解电压，电解10h可以完全还原，得到颗粒尺寸大小为5μm的金属铁，电流效率为95.3%，能耗为3.35 kWh•kg-1。通过添加20% NH4HCO3进行实验优化，可有效降低电解电压，缩短电解时间。当施加1.3V电解电压时发生完全还原，电流效率为95.8%，能耗为2.88 kWh•kg-1。