一种离子液体中高效电化学制备铝的方法技术

一种离子液体中高效电化学制备铝的方法，属于电化学法制备铝领域。该离子液体中高效电化学制备铝的方法，采用离子液体，在微磁场环境中，进行电沉积制备铝；所述的微磁场的磁场强度H为0mT＜H≤100mT。该方法通过将离子液体中无序的阴阳离子偶极子进行有序排列，使离子在运动时缩短路程，相对加快离子运动速度，进而提高离子液体电导率的原理，利用施加磁场加快离子液体中铝电沉积的速率，使离子液体中电沉积、电精炼或电镀铝更加高效，其具有高效、操作简单，易于实现的特点，且能降低铝生产的直流能耗。

An efficient electrochemical method for the preparation of aluminum in ionic liquids

The invention relates to an efficient electrochemical method for preparing aluminum in ionic liquid, belonging to the field of aluminum preparation by electrochemical method. The method of high efficient electrochemical preparation of aluminum in the ionic liquid adopts the ionic liquid to electrodeposit aluminum in the micro magnetic field environment, and the magnetic field intensity H of the micro magnetic field is 0 mT < H < 100 mT. In this method, the disordered anion and cation dipoles in ionic liquids are arranged in order to shorten the distance of ions in motion, accelerate the speed of ion movement, and then increase the conductivity of ionic liquids. Aluminum smelting or plating is more efficient, with high efficiency, simple operation, easy to achieve, and can reduce the direct current energy consumption of aluminum production.

【技术实现步骤摘要】
一种离子液体中高效电化学制备铝的方法
本专利技术涉电化学法制备铝领域，具体涉及一种离子液体中高效电化学制备铝的方法。
技术介绍
铝是一种重要的战略金属，在地壳的含量约为8.8％，仅次于氧、硅，位于第三位，且具有耐腐蚀、抗氧化的性能，广泛应用于航空航天、机械、建筑、电力等领域。电解铝的发展水平是一个国家工业发展的标志，铝的生产一直采用Hall-Héroult法，温度通常为950～970℃。温度导致副反应多，能耗大，能量利用率不高，陶瓷和金属基材料构成的惰性阳极因高温也无法实际应用，造成大量的优质碳材料浪费。同时大量的氟化物以及CO2排放，严重污染环境。故而低温熔盐电解铝成为当今世界铝业界研究最活跃的课题之一。几十年来，室温熔盐电解铝及电精炼铝均取得了很大进展。离子液体也开发出了AlCl3型的吡啶类离子液体、AlCl3型的咪唑类离子液体、非AlCl3型离子液体和溶解Al2O3的HSO4-类离子液体。其中，AlCl3型的吡啶类离子液体包括:N-乙基吡啶溴化盐(EPyBr)-AlX3(X＝Cl，Br)、N-丁基吡啶氯盐(BPyCl)-AlCl3；AlCl3型的咪唑类离子液体对水非常敏感，并且质子和氧化物杂质的存在对离子液体的化学性质影响很明显，必须完全在真空或惰性气体气氛保护下进行反应；而非AlCl3型离子液体以质子酸酸化的1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸([EMIM]BF4)为典型代表，对水和空气相对稳定，但遇水容易放出少量HF，并且遇到AlCl3时也会释放出HF的离子液体。铝的电沉积的机理也基本弄清，铝的电沉积要求只能在酸性离子液体(AlX3：MX&gt;1：1，X代表氯或溴，M代表有机鎓离子)中进行。其中，酸性离子液体中的阳离子为有机物鎓离子，如1-丁基-3-甲基咪唑鎓离子(BMIM+)、1-乙基-3-甲基-咪唑鎓离子(EMIM+)等，酸性离子液体中的阴离子主要为AlCl4-、Al2Cl7-。离子液体中铝电沉积阳极反应为：AlX3+7AlX4-＝4Al2X7-+1.5X2+3e-(1)阴极反应：4Al2X7-+3e-＝7AlX4-+Al(2)而离子液体中铝电解电精炼的阳极反应为：7AlX4-+Al＝4Al2X7-(3)而阴极反应与(2)相同然而文献表明，多年来离子液体中电沉积铝的研究大多停留在镀膜、机理、热力学性质等方面，而规模化的生产研究未见报道。其中原因除了离子液体自身的不足外，主要是铝的电极过程是准可逆过程，沉积速度慢，且电沉积过程产生枝晶，这些导致铝沉积层松散易脱落无法厚积，副反应增多、电流效率低。科研人员曾采用改变电压、电流密度，加入添加剂，搅拌等方式进行改变离子液体电沉积铝的结晶条件，取得了一定效果，但实际进展不明显。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种离子液体中高效电化学制备铝的方法，该高效电化学制备铝方法是在室温条件下，离子液体中，微磁场作用下进行的，该方法能够加快铝电沉积的速率，使离子液体中电沉积、电精炼或电镀铝更加高效。本专利技术的一种离子液体中高效电化学制备铝的方法，采用离子液体，在微磁场环境中，进行电沉积制备铝；所述的微磁场的磁场强度H为0mT＜H≤100mT。本专利技术的一种离子液体中高效电化学制备铝的方法，具体包括以下步骤：步骤1：制备阴极和阳极制备阴极：将阴极材料，表面除杂，制成阴极；其中，所述的阴极材料为铜、铝或不锈钢；制备阳极：将阳极材料，表面除杂，制成阳极；其中，所述的阳极材料为铝或石墨；步骤2：配制离子液体在氩气保护中，按离子液体的成分和配比，称量原料，混合均匀，得到离子液体；其中，离子液体为AlCl3型离子液体或溶解Al2O3的HSO4-类离子液体；其中，AlCl3型离子液体为AlCl3型氯化1-乙基-3-甲基咪唑离子液体([EMIM]Cl-AlCl3)、AlCl3型盐酸三乙基胺离子液体(Et3NHCl-AlCl3)、AlCl3型苯基三甲基氯化铵离子液体(TMPAC-AlCl3)、AlCl3型氯化-1-丁基-3-甲基咪唑离子液体(BMIC-AlCl3)中的一种；溶解Al2O3的HSO4-类离子液体包括[EMIM]HSO4和Al2O3的混合溶液；步骤3：微磁场下电沉积将阴极和阳极置于离子液体中，在氩气保护中，微磁场作用下，接通电源，用恒电流密度或恒电压进行电化学沉积，得到沉积在阴极的铝；其中，微磁场的磁场强度H为0mT＜H≤100mT；恒电流密度为50～100A/m2；恒电压的电压为0.8～1.5V；步骤4：后处理将沉积在阴极的铝剥离阴极后，清洗，吹干，得到电沉积铝金属。所述的步骤1中，所述的表面除杂为，电极经240#、800#、1000#以及2000#砂纸打磨，用酸清洗，再用超声波清洗器清洗，吹干表面，得到阴极或阳极。所述的步骤2中，所述的混合均匀，采用磁力搅拌器，转速为50～80r/min，在40～60℃进行搅拌，搅拌过程中，控制反应温度，温度波动范围为±1℃。所述的步骤2中，所述的离子液体中，所述的AlCl3型离子液体，按摩尔比，阳离子：Al3+＝1：(1.5～2.2)；所述的溶解Al2O3的HSO4-类离子液体，包括[EMIM]HSO4和Al2O3的混合溶液，按照液固比，[EMIM]HSO4：Al2O3＝25mL～40mL：10g；所述的步骤3中，所述的微磁场的磁场强度优选为20mT～66.5mT。所述的步骤3中，所述的电化学沉积时间为3h～10h。所述的步骤3中，所述的微磁场通过磁铁或磁感线圈获得。所述的离子液体中高效电化学制备铝的方法，反应温度优选为室温。所述的离子液体中高效电化学制备铝的方法，所述的氩气保护为高纯氩气环境中，氩气的纯度为99.99wt％以上。本专利技术的离子液体中高效电化学制备铝的方法，采用的离子液体电解质是由半径差距很大的阴阳离子络合体无序排列构成，这种无序导致离子运动路程变长。阴阳离子构成一对具有很强极性的偶极子，磁场对极性强的偶极子有很大影响，磁场作用下会使无序的偶极子进行有序排列，离子在运动时路程会变短，相对速度会变快，提高了离子液体电导率。同时，磁场作用下离子受到电场力作用的同时还受到洛伦兹力或磁化力作用，改变了到达电极的方式，即从侧门而不是正面到达，减弱了电极表面突出处的屏蔽作用，是电解质溶液覆盖能力得到改善；在洛伦兹力的扰动下，加速了离子的扩散与迁移，改变了电化学的双电层结构以及电极极化过程，促进了电化学反应，从而提高了电流效率，降低生产每吨铝的直流能耗；同时磁场对电沉积物的生长也有显著影响，使角状沉积物变得圆滑、尺寸逐渐均匀并且沉积物表面趋向平坦。本专利技术提供的一种离子液体中电化学制备铝方法，具有高效、操作简单，易于实现的特点，且铝生产的直流能耗低。具体实施方式下面结合实施例对本专利技术作进一步的详细说明。以下实施例中，除特殊说明，采用的原料和设备均为市购，原料的纯度为分析纯及以上。实施例1一种离子液体中高效电化学制备铝的方法，按以下方法进行：(1)制备阴极和阳极阴极的制备：以铜板或铜片为阴极，经240#、800#、1000#以及2000#砂纸打磨后，抛光，用酸清洗后吹干，用真空袋密封后放入真空手套箱中备用。阳极的制备：将铝板经240#、800#、1000#以及2000#砂纸打磨后先碱洗，再酸洗吹干，放入真空袋中密封备用。(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离子液体中高效电化学制备铝的方法，其特征在于，采用离子液体，在微磁场环境中，进行电沉积制备铝；所述的微磁场的磁场强度H为0mT＜H≤100mT。

【技术特征摘要】
1.一种离子液体中高效电化学制备铝的方法，其特征在于，采用离子液体，在微磁场环境中，进行电沉积制备铝；所述的微磁场的磁场强度H为0mT＜H≤100mT。2.如权利要求1所述的离子液体中高效电化学制备铝的方法，其特征在于，所述的微磁场的磁场强度为20mT～66.5mT。3.如权利要求1所述的离子液体中高效电化学制备铝的方法，其特征在于，所述的微磁场通过磁铁或磁感线圈获得。4.如权利要求1～3任意一项所述的离子液体中高效电化学制备铝的方法，其特征在于，所述的离子液体中高效电化学制备铝的方法，包括以下步骤：步骤1：制备阴极和阳极制备阴极：将阴极材料，表面除杂，制成阴极；其中，所述的阴极材料为铜、铝或不锈钢；制备阳极：将阳极材料，表面除杂，制成阳极；其中，所述的阳极材料为铝或石墨；步骤2：配制离子液体在氩气保护中，按离子液体的成分和配比，称量原料，混合均匀，得到离子液体；其中，离子液体为AlCl3型离子液体或溶解Al2O3的HSO4-类离子液体；其中，AlCl3型离子液体为AlCl3型氯化1-乙基-3-甲基咪唑离子液体、AlCl3型盐酸三乙基胺离子液体、AlCl3型苯基三甲基氯化铵离子液体、AlCl3型氯化-1-丁基-3-甲基咪唑离子液体中的一种；溶解Al2O3的HSO4-类离子液体包括[EMIM]HSO4和Al2O3的混合溶液；步骤3：微磁场下电沉积将阴极和阳极置于离子液体中，在氩气保护中，微磁场作用下，接通电源，用恒电流密度或恒电压进行电化学沉积，得到沉...

【专利技术属性】
技术研发人员：王锦霞，刘向悦，谢宏伟，尹华意，宋秋实，宁志强，于凯，
申请(专利权)人：东北大学，
类型：发明
国别省市：辽宁,21