Таким образом, анионный состав расплава влияет на электродный процесс восстановления алюминия в галогенидных расплавах.
3.2. Исследование совместного электровосстановления фторалюминат-иона и галогенидных комплексов гадолиния на фоне хлоридных и хлоридно-фторидных расплавов.
Для рационального и целенаправленного осуществления электрохимического получения Gd– Al сплавов необходимо иметь представление о механизме совместного выделения этих металлов из расплавов галогенидов. Анализ литературных данных, приведенных в первой главе и наших собственных результатов (раздел 3.1) свидетельствует, что механизм процесса выделения гадолиния и алюминия в чистом виде исследовался довольно подробно. В работе [64] исследована система алюминий – гадолиний методами микроскопического, термического и рентгеновского анализов (рис3.2.). В сплавах системы образуются 5 интерметаллических соединений, из них только одно – GdAl2плавится с открытым максимумом при 1525˚С. Остальные 4 – Gd2Al, Gd3Al2, GdAl и GdAl3 – образуются по перитектическим реакциям при температурах 950, 980, 1075 и 1125˚С соответственно. Кроме того, в сплавах системы кристаллизуются две эвтектики: одна со стороны гадолиния при 875˚С, вторая со стороны алюминия при 650˚С. Сплавы изготовляли методом дуговой плавки в атмосфере очищенного аргона.
Что касается совместного электровыделения и механизма этого процесса, то в литературе практически нет этой информации.
В нашей работе исследование совместного электровосстановления гадолиния и алюминия проводили вольтамперометрическим методом на фоне хлоридных и хлоридно-фторидных расплавов с использованием серебряного электрода. Как показано выше, при электровосстановлении фторалюминат-иона, а также проведенных ранее на кафедре неорганической и физической химии работ по электровосстановлению различных комплексов гадолиния на фоне хлоридных и хлоридно-фторидных расплавов серебряный электрод наиболее индифферентен к этим двум металлам.
На рис. 3.3. приведены результаты вольтамперометрических измерений совместного электровосстановления комплексов алюминия и гадолиния. Кривые (2) и (3) соответствуют электровосстановлению фторалюминат-иона при потенциалах 1,5 – 1,55 В относительно платинового квазиобратимого электрода сравнения.
Введение трихлорида гадолиния в хлоридный расплав NaCl – KCl, содержащий фторалюминат-ионы, приводит к изменению формы вольтамперных кривых,- на катодной части вольтамперограмм при потенциалах, отрицательнее электровосстановления фторалюминат-ионов появляются волны восстановления хлоридных комплексов гадолиния. Первые, в этом случае, ока
Рис. 3.3. Циклические хроновольтамперограммы процесса совместного электровосстановления Na3AlF6и GdCl3 на фоне NaCl – KCl. С(GdCl3)=1,89.10-4моль/см3(3). С(Na3AlF6), моль/см3.104: 1, 2 – 0,945; 4 – 1,89. Т = 973К; V = 0,1В/с.
Рис. 3.4. Циклические хроновольтамперограммы процесса совместного электровосстановления Na3AlF6и GdCl3 на фоне NaCl – KCl - NaF. С(GdCl3)=1,855.10-4моль/см3(3). С(Na3AlF6), моль/см3.104: 1 – 0; 2 – 0,928; 3 – 1,855; 4 – 3,71; 5 – 9,28. Т = 973К; V = 0,1В/с.
зываются более растянутыми по оси потенциалов, чем в системах в отсутствии хлоридных комплексов гадолиния (гадолиний и алюминий дают сплав).
На анодных участках циклической вольтамперограммы наблюдаются две волны окисления катодных продуктов (волны С и D).
Отличительной особенностью анодной волны окисления при совместном присутствии комплексов гадолиния и алюминия является то, что волны анодного растворения смещаются в более отрицательную область потенциалов и значительно растягиваются по оси потенциалов.
Появление двух волн (С и Д) на анодной части мы связываем с растворением гадолиния и сплавов гадолиний - алюминий разных соотношений.
На рис. 3.4. представлены циклические хроновольтамперограммы расплава NaCl-KCl-NaF(10 вес.%) - GdCl3 при последовательном добавлении Na3AlF6 . Сравнивая данные зависимости с аналогичными в хлоридном расплаве можно заметить, что волны совместного электровосстановления GdCl63-и AlF63- во фторидном расплаве имеют более четко выраженный пик и менее растянуты по оси потенциалов. К тому же, анодная часть вольтамперограмм в этих условиях сливается в одну волну и становится более воспроизводимой. Эти процессы обусловлены избытком фторид–иона, уменьшающего число частиц, участвующих в электродном процессе. Как видно из рис. 3.4 (кривые 4 и 5), при большом избытке криолита волны восстановления гадолиния и алюминия сливаются в одну растянутую по оси потенциалов волну,- происходит электровосстановление частиц различного состава (AlXGdY).
Таким образом, результаты вольтамперных измерений в расплаве NaCl-KCl-GdCl3-Na3AlF6 говорят о возможности электрохимического получения сплавов Gd-Al в различных соотношениях. С нашей точки зрения, механизм электрохимического получения сплавов можно представить следующим образом: электровыделение алюминия из фторалюминат-иона происходит при более положительном потенциале, чем выделение гадолиния из хлоридных комплексов. Разность потенциалов выделения составляет 350 – 400 мВ. Уменьшение разности потенциалов возможно за счет энергии сплавообразования гадолиния и алюминия, а также при увеличении концентрации фторалюминат-иона в расплаве и при определенных соотношениях удается совмещение волн выделения гадолиния и алюминия в одну растянутую волну. Однако электрохимическое получение сплава необходимо проводить при плотностях тока выше предельного тока электровосстановления фторалюминат-иона.
Электрохимические процессы, происходящие при образовании сплава можно представить следующим уравнением:
GdCl63- + AlF6-xClx3- + 6e → GdAl(спл) + (6-x)F- + xCl-
Выводы
Методом линейной циклической вольтамперометрии исследовано совместное восстановление ионов гадолиния и алюминия в хлоридных и хлоридно-фторидных расплавах на серебряном и платиновом электродах.
1. Изучен процесс электровосстановления фторалюминат-иона на фоне хлоридных и хлоридно-фторидных расплавов. Показано, что серебряный электрод является индифферентным по отношению к алюминию и может быть использован для получения более надежных данных.
2. Установлен необратимый характер электровосстановления фторалюминат-иона на фоне эквимолярного расплава NaCl-KCl.
3. Показано влияние анионного состава (фторид-иона) на процесс электровосстановления фторалюминат-иона на фоне хлоридно-фторидных расплавов.
4. Изучено совместное электровосстановление фторалюминат-иона и хлоридных комплексов гадолиния на фоне хлоридных и хлоридно-фторидных расплавов.
Показано, что при определенных соотношениях концентраций ионов алюминия и гадолиния и анионного состава расплава можно осуществить процесс совместного электровосстановления и получения гадолиний-алюминий сплавов.
Литература.
1. AN INVESTIGATION on MELTING POINT and ELECTRICAL CONDUCTIVITY OF FLUORIDE – LANTANA MELT. Wei Xujun, Mu Xiuzhi, Liu Xuliang, Zhao Yifa. “New Front. Rare Earth Sci. And Appl. Proc. Jnt. Conf., Beijing, Sept. 10-14, 1985. Vol. 2”. Beijing, 1985, 1176-1179.
2. Д.Браун. Галогениды лантаноидов и актиноидов. Под ред. академика И.В.Тананаева, перевод с англ. к.х.н. С.С.Родина. Москва, Атомиздат, 1972
3. Поляченок О.Г., Новиков Г.И. «ЖНХ», 8, 2818-2819. (1963)
4. Прикладная химия ионных расплавов / Делимарский Ю.К., Барчук Л.П.- Киев: Наук. думка, 1988. с. 8-10
5. J.MOCHINAGA. EDITORIAL. Structure of molten salts. Molten Salts Bulletin Sels Fondus./ France, 1997
6. Строение расплавленных солей /Под ред. Е.А.Укше.- М.: Мир, 1966.- 432 с.
7. Крюкова А.И., Коршунов И.А. Исследование комплексообразования празеодима, неодима и прометия в растворах хлоридах и нитратов щелочных металлов. Тезисы докладов V Всесоюзной конференции по физической химии и электрохимии ионных расплавов и твердых электролитов, 1974
8. A.Matsuoka, K.Fukushima, J.Mochinaga, Y.Iwadate, M.Tomita and R.Takagi. Proceedings of the 25th Symposium on Molten Salt Chemistry, p.19, (1993)
9. Д.В.Дробот, Б.Г.Коршунов, З.М.Шевцова. Некоторые закономерности комплексообразования в расплавах, содержащих хлориды редкоземельных и щелочных металлов./ В кн.: Физическая химия расплавленных солей. Труды 2-го Всесоюзного Совещания по физической химии расплавленных солей. 15 – 20 октября 1963 г. Изд-во «Металлургия», М.,1965, с. 48-54
[AlF6-xClx]3-