FFC剑桥法

✍ dations ◷ 2025-04-26 12:32:50 #化学过程,电化学,钛



FFC剑桥法(英语:FFC Cambridge Process)是一种将固体金属,尤其是氧化物,置于阴极,在熔融盐中还原成较纯金属或者合金的电化学方法。FFC剑桥法被视为一种具有潜力的精炼方式,未来可能可以取代某些现有的金属生产方式,例如长期用于精炼钛的克罗尔法。

FFC剑桥法在1996、1997年间由陈政(英语:George Chen)、德雷克·富雷(英语:Derek Fray)、汤姆·法辛(Tom Farthing)三人于剑桥大学开发出来。该法之命名也是取自上述三人的姓氏字首字母。三人成功以熔融盐电化学方法从钛箔上的氧化鳞皮、二氧化钛粉末烧结成的小球粒、钛渣等含钛物还原出纯金属钛。注意传统方法大多需要先将含钛物通氯气制成四氯化钛,才能进行后续的还原制程。1904年德国专利150557号也有类似的制程。

整个制程通常在900 °C至1100 °C的温度范围内进行,阳极实务上常以石墨碳棒制作,阴极是待还原的含钛氧化物、含钛物(有些研究会先以钼网包覆阴极,防止阴极碎裂散落),电解液则须以氯化钙熔汤担当,坩埚大多采用石墨材质。基于氧化物的性质,存在一相对于阳极的特定电位,影响氧化钙在熔汤中的含量。阴极被极化至一比阳极更低之电位。借由在两极间施加一电压达成两极间电位差。当极化至更低的负电位后,阴极的氧化物倾向于对电解液释出氧离子,氧离子进入电解液后以氧化钙的形式存在。为维持电解液的电中性,当一氧离子离开阴极进入电解液时,另一氧离子从电解液游向阳极,故阳极采石墨电极时,可在阳极附近观测到一氧化碳或二氧化碳生成。也因为氧离子游向阳极,惰性阳极可以用来产生氧气。

当达到负电压时,阴极可能开始产生钙。钙的还原性很高,会进一步将阴极的氧剥离,达到钙热还原的效果。不过,当越来越多钙溶入氯化钙熔汤时,熔汤电解液导电性会上升,致使电流效率(英语:Faraday efficiency)降低。

整个电-钙热还原反应机转可以下式表述。

该反应自发进行时,称之为钙热还原反应,或也可视为金属热还原(metallothermic reduction)反应的其中一例。例如,若阴极为TiO,则钙热还原反应的反应式可写为

虽然上式这么表示,但实际上这是一个逐渐将氧从氧化物上剥离的过程。例如,阴极的二氧化钛不会一步到位地产生钛,而会先产生一堆中间产物如Ti3O5、Ti2O3、TiO等等低价氧化物。

钙氧化物的电解反应化学式如下:

反应式(2b)显示在阴极旁熔汤中的钙离子Ca2+还原成钙。钙会继续使阴极的金属氧化物还原成金属。

综合反应式(1)与反应式(2),反应的净结果可看成是金属氧化物分解成金属与氧气:

以氯化钙熔汤作电解液非常重要,因为这种熔融盐可以溶解并输送O2−离子至阳极释放电子。阳极反应视阳极材质有不同产物,石墨材质的阳极会产生一氧化碳、二氧化碳或其他含碳混合物:

然而,阳极若是由反应性较低的材质,如高密度SnO2,则O2−离子倾向在阳极反应成氧气。采取惰性阳极至少有两项缺点,一来当熔汤中氧化钙渐渐减少,阳极处将倾向产生氯气,不利环保与人员安全,二来比起石墨阳极,会使制程更耗能,综上两点,惰性阳极会导致整个电解池不稳定。

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