姜　濤　田　杰　王　寧　彭述明,*　李　梅　韓　偉　張密林

(1中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽(yáng)621999；2哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，教育部超輕材料與表面技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001)

LiCl-KCl-LaCl3熔鹽體系中La(III)的電化學(xué)行為

姜濤1田杰1王寧1彭述明1,*李梅2韓偉2張密林2

(1中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，四川綿陽(yáng)621999；2哈爾濱工程大學(xué)材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，教育部超輕材料與表面技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150001)

在773 K條件下，研究了La(III)在LiCl-KCl熔鹽中W和Ni電極上的電化學(xué)行為。La(III)還原反應(yīng)是一步三電子轉(zhuǎn)移的準(zhǔn)可逆反應(yīng)；通過(guò)在Ni電極上直接電沉積La的方法可以獲得La-Ni金屬間化合物；恒電位電解可以獲得含三種金屬間化合物(LaNi5、La7Ni16和La2Ni3)的La-Ni合金層，并且通過(guò)X射線衍射儀(XRD)和掃描電鏡-能譜分析儀(SEM-EDS)確定物相并表征結(jié)構(gòu)。采用開(kāi)路計(jì)時(shí)電位法估算了LaNi5金屬間化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能。揭示了恒電位電解方法是制備La-Ni鍍層合金以及提取熔鹽中La的有效方法。

LiCl-KCl-LaCl3；La-Ni；鍍層合金；吉布斯自由能

另外，含有鑭系元素和第一長(zhǎng)周期過(guò)渡金屬元素的金屬間化合物因其有趣的物理化學(xué)性質(zhì)，使得它們成為儲(chǔ)氫和永磁材料制備的基礎(chǔ)原料8。LaNi5和La7Ni16是研究較為廣泛的永磁材料9。而La-Ni合金作為儲(chǔ)氫材料的研究開(kāi)始于20世紀(jì)70年代10。LaNi5合金因其易活化、適中的分解氫壓和低平衡壓等特點(diǎn)，成為優(yōu)異的低溫儲(chǔ)氫材料11－13。并且ABx型鑭系-Ni基儲(chǔ)氫合金擁有更大的儲(chǔ)氫性能，其中La7Ni16是典型的此類儲(chǔ)氫合金14。

近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)熔鹽電解法分離Ln并制備Ln-Ni合金進(jìn)行了研究。Taxil小組15在LiF-CaF2-LnF3熔鹽中的活性Ni電極上通過(guò)電化學(xué)還原鑭系元素(Nd、Gd和Sm)分別制備了NdNi2、NdNi3、GdNi2、GdNi、SmNi2和SmNi3等金屬間化合物。Sa?la等16研究了LiF-CaF2熔鹽中在W、Ni和Cu電極上Dy(III)的電化學(xué)行為，并通過(guò)恒電流電解獲得了Dy2Ni17和DyNi4合金鍍層。Chandra等17在LiFCaF2熔鹽中研究了Ce(III)在W和Ni電極上的電化學(xué)氧化還原行為，并且制備了CeNi5和Ce2Ni7兩種金屬間化合物。Ito等18,19分別在LiCl-KCl-SmCl3和LiCl-KCl-YbCl3熔鹽中研究了SmNi5、SmNi3和SmNi2，以及Yb2Ni17和YbNi2在Ni電極上的電化學(xué)制備。Yasuda等20在NaCl-KCl-NdCl3熔鹽中研究了Nd-Ni合金的電化學(xué)制備，得到了NdNi2、NdNi3、 Nd2Ni7和NdNi5等四種金屬間化合物。

綜上所述，研究利用活性Ni電極來(lái)實(shí)現(xiàn)熔鹽中La的提取，以及實(shí)現(xiàn)La-Ni合金制備都具有重大的意義。為此采用多種電化學(xué)技術(shù)(循環(huán)伏安、方波伏安、計(jì)時(shí)電位和開(kāi)路計(jì)時(shí)電位)研究了La(III)在LiCl-KCl熔鹽中的電化學(xué)行為和La-Ni金屬間化合物的制備機(jī)理，并估算了LaNi5金屬間化合物的標(biāo)準(zhǔn)生成吉布斯自由能。

2　實(shí)驗(yàn)部分

實(shí)驗(yàn)中使用的主要試劑有氯化鋰(分析純，98%)、氯化鉀(分析純，99.5%)、氯化鑭(分析純，99.9%)、銀絲(直徑1 mm，99.99%)、鎢絲(直徑1 mm，99.99%)和鎳棒(直徑7 mm，99.99%)，以上試劑和材料均為Alfa Aesar中國(guó)化學(xué)有限公司產(chǎn)品；無(wú)水乙醇(分析純，99.7%)為國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司產(chǎn)品；石墨棒(直徑6 mm，光譜純)為上海碳素廠產(chǎn)品；氬氣(99.99%)為成都天一科技有限公司產(chǎn)品。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用的所有水溶液都采用二次蒸餾水配制。整個(gè)電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在裝備井式電爐(SRH-50-10F，哈爾濱丞焱熱處理設(shè)備制造有限公司)和Ar氣保護(hù)的手套箱(LS1200，成都德力斯實(shí)業(yè)有限公司)中進(jìn)行。電解質(zhì)LiCl-KCl裝在電爐中的Al2O3坩堝中。LiCl和KCl(50%:50%(w))在973和573 K溫度下分別干燥24 h以除去殘留的水分。La離子以無(wú)水LaCl3的形式進(jìn)入熔鹽中。所有電化學(xué)測(cè)量采用Autolab AUT302N型電化學(xué)工作站(梅特勒公司，瑞士)和Nova1.10軟件。將一根銀絲插入含AgCl(1%(w))和LiCl-KCl(50%:50%(w))的Al2O3管中作為參比電極。所有稱量工作采用電子天平(AB204-N，上海Mettler-Toledo有限公司)進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)中所有電位都相對(duì)于該Ag/AgCl電極。W作為工作電極，石墨作為對(duì)電極。實(shí)驗(yàn)前W電極末端用SiC砂紙打磨后在乙醇溶液中用超聲波清洗。有效電極面積通過(guò)每次插入熔鹽的電極長(zhǎng)度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。長(zhǎng)度用游標(biāo)卡尺(CD-15CPX，Mitutoyo公司，日本)進(jìn)行測(cè)量。通過(guò)恒電位的方法來(lái)制備La-Ni合金鍍層。電解后，所有樣品在乙醇溶液中用超聲波清洗以去除殘留的鹽，后放置在干燥箱中待測(cè)。

樣品的X射線衍射(X′Pert Pro，Philips公司，荷蘭)表征，以Cu-Kα射線作為射線源，工作電壓40 kV，工作電流40 mA，掃描角度(2θ)范圍為10°－90°，掃描步長(zhǎng)0.02°，掃描速率0.06(°)·s－1。樣品用掃描電鏡(JSM-6480，JEOL公司，日本)表征，樣品經(jīng)過(guò)打磨和拋光后在乙醇溶液中用超聲波清洗完畢后進(jìn)行掃描電子顯微鏡測(cè)試。

3　結(jié)果與討論

3.1La(III)在LiCl-KCl-LaCl3熔鹽中Ni電極上的電化學(xué)行為

3.1.1循環(huán)伏安

采用循環(huán)伏安法研究了W和Ni電極在LiCl-KCl熔鹽中的電化學(xué)窗口。之所以選擇W作為Ni電極的對(duì)比電極，是因?yàn)楦鶕?jù)二元W-Li和W-La相圖，在773 K時(shí)W與Li和La都不會(huì)形成金屬間化合物21,22。圖1為L(zhǎng)iCl-KCl熔鹽中W電極上和加入LaCl3后再W和Ni電極上的循環(huán)伏安曲線。在黑色曲線上，僅觀察到一個(gè)陰極還原峰(－2.45 V)，可以歸屬為L(zhǎng)i的沉積，而對(duì)應(yīng)的氧化峰則是Li的溶解。圖1中綠色曲線代表加入LaCl3后在W電極上的循環(huán)伏安曲線。還原峰A(－2.10 V附近)對(duì)應(yīng)于La(III)還原為L(zhǎng)a(0)，該結(jié)果與其他學(xué)者的觀察相一致1－3。在反向掃描方向，氧化峰A′可以歸屬為L(zhǎng)a(0)的氧化溶解，這與Fabian等4的觀察結(jié)果相一致。黑色曲線代表LiCl-KCl-LaCl3熔鹽中La(III)在Ni電極上的循環(huán)伏安曲線，與在W電極上的循環(huán)伏安曲線不同。除了陰極/陽(yáng)極峰A/A′對(duì)應(yīng)于La的還原/氧化峰外，其余在La(III)還原之前的三個(gè)峰(－1.38、－1.70和－1.97 V)則對(duì)應(yīng)金屬或者金屬間化合物在W電極上的沉積。這三對(duì)峰(I/I′、II/II′和III/III′)分別對(duì)應(yīng)于La-Ni金屬間化合物的生成。但是在Ni電極上未觀察到明顯的A/A′峰。

圖1　LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3熔鹽中W和Ni電極上的循環(huán)伏安曲線圖Fig.1　Cyclic voltammogram curves of LiCl-KCl melts (red curve)on a W electrode,LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3melts on W(green curve)and Ni(black curve)electrodes

3.1.2方波伏安

方波伏安法是比循環(huán)伏安法更靈敏的方法，并且能計(jì)算轉(zhuǎn)移電子數(shù)。圖2(a)顯示在LiCl-KCl-LaCl3熔鹽體系中的不同頻率的方波伏安曲線。在插圖中頻率的1/2次方與電流強(qiáng)度成線性關(guān)系。根據(jù)半峰寬公式(1)計(jì)算23,24：

計(jì)算轉(zhuǎn)移電子數(shù)n≈2.85，接近3，因此我們認(rèn)為L(zhǎng)a(III)是一步3電子轉(zhuǎn)移：

圖2　(a)LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3熔鹽中不同頻率的方波伏安曲線；(b)LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3熔鹽中W和Ni電極上的方波伏安曲線圖Fig.2　(a)Square-wave voltammogram curves for the reduction of(a)La(III)on a W electrode;(b)square-wave voltammogram curves of the LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3molten on W and Ni electrodes

我們采用方波伏安法進(jìn)一步研究La(III)在Ni電極上的電化學(xué)行為。圖2(b)所示為773 K、Ni電極、電位步長(zhǎng)1 mV，頻率30 Hz時(shí)的方波伏安曲線。圖中明顯出現(xiàn)四個(gè)峰(A：－2.10 V，I：－1.97 V，II：－1.70 V，III：－1.38 V)，分別對(duì)應(yīng)于La還原和3種La-Ni金屬間化合物，這與之前的循環(huán)伏安結(jié)果相一致。并且由于方波伏安曲線更加靈敏，循環(huán)伏安曲線中的峰A可以在方波伏安曲線中識(shí)別。

3.1.3計(jì)時(shí)電位

圖3所示為不同電流密度下LiCl-KCl-(3.5%(w)) LaCl3熔鹽中的計(jì)時(shí)電位曲線。當(dāng)電流密度分別達(dá)到－0.031 A·cm－2(－10 mA)，－0.062 A·cm－2(－20 mA)，－0.124 A·cm－2(－40 mA)和－0.186 A·cm－2(－60 mA)時(shí)，曲線出現(xiàn)三個(gè)電位平臺(tái)(III、II和I)，對(duì)應(yīng)La在Ni電極上的欠電位沉積并生成La-Ni金屬間化合物。當(dāng)陰極電流密度達(dá)到－0.217 A·cm－2(－70 mA)時(shí)，新電位平臺(tái)A出現(xiàn)，對(duì)應(yīng)La的沉積。

圖3　不同電流下LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3熔鹽中Ni電極上的方計(jì)時(shí)電位曲線圖Fig.3　Chronopotentiograms obtained at different currents on a Ni electrode in the LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3melts S=0.322 cm2,T=773 K

3.2恒電位電解與La-Ni合金鍍層表征

根據(jù)La-Ni二元相圖(圖4)25可知，相圖共有8種La-Ni金屬間化合物，我們實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)3種金屬間化合物。因此，我們采用恒電位電解，根據(jù)XRD以及SEM/EDS確定是哪種金屬間化合物。

圖4　La-Ni二元合金相圖25Fig.4　Phase diagram of La-Ni binary alloy25A:atomic fraction;w:mass fraction

基于循環(huán)伏安、方波伏安和計(jì)時(shí)電位的結(jié)果，分別在－2.08、－1.85和－1.55 V(vs Ag/AgCl)電位下，在Ni電極上電解制備La-Ni金屬間化合物。

采用XRD表征在－2.08 V下電解3 h后的樣品a，發(fā)現(xiàn)有三種金屬間化合物存在，分別是La2Ni3、La7Ni16和LaNi5(如圖5a所示)。通過(guò)SEMEDS分析樣品La和Ni的元素分布，發(fā)現(xiàn)獲得的LaNi5鍍層(圖6a中點(diǎn)A)最接近Ni電極，很致密但非常薄，厚度大約為10 μm。中間層La7Ni16(圖6a中點(diǎn)B)不明顯而且多孔，厚度大約為50 μm。最外層主要是La2Ni3(圖6a中點(diǎn)C)，均勻且致密，厚度大約為75 μm。EDS能譜分析結(jié)果表明，鍍層主要由Ni和La兩種元素組成。三個(gè)選點(diǎn)(A、B和C)的Ni/La原子比分別為6.31、2.29和1.87。當(dāng)考慮測(cè)量誤差后，我們進(jìn)一步確定分別為L(zhǎng)aNi5、La7Ni16和La2Ni3相金屬間化合物。而在－1.85 V下電解3 h后的樣品b中發(fā)現(xiàn)有兩種金屬間化合物存在，分別是La7Ni16和LaNi5(如圖5b所示)。通過(guò)SEM-EDS分析樣品La和Ni的元素分布，發(fā)現(xiàn)獲得的LaNi5鍍層(圖6b中點(diǎn)A)最接近Ni電極，很致密、均一且較厚，厚度大約為20 μm。最外層主要是La7Ni16(圖6b中點(diǎn)B)，疏松且很厚，厚度大約為30 μm。EDS能譜分析結(jié)果表明，鍍層主要由Ni和La兩種元素組成。兩個(gè)選點(diǎn)(A和B)的Ni/La原子比分別為8.00和2.06。當(dāng)考慮測(cè)量誤差后，我們進(jìn)一步確定分別為L(zhǎng)aNi5和La7Ni16相金屬間化合物。

圖5　LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3熔鹽中Ni電極上不同沉積電位下獲得樣品的XRD譜圖Fig.5　XRD patterns of deposit samples obtained by potentiostatic electrolysis at different potentials on a Ni electrode in the LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3melts

圖6　鎳電極上不同沉積電位(P)下獲得樣品的SEM-EDS譜圖Fig.6　SEM-EDS analysis of the sample obtained by potentiostatic electrolysis at different potentials(P)on a Ni electrode

在－1.55 V下電解3 h后的樣品c中發(fā)現(xiàn)僅有一種金屬間化合物存在，即LaNi5(如圖5c所示)。通過(guò)SEM-EDS分析樣品La和Ni的元素分布，發(fā)現(xiàn)獲得的LaNi5鍍層(圖6c中點(diǎn)A)緊挨Ni電極，很致密、均一且很厚，厚度大約為35 μm。EDS能譜分析結(jié)果表明，鍍層主要由Ni和La兩種元素組成。一個(gè)選點(diǎn)(A)的Ni/La原子比為5.48。當(dāng)考慮測(cè)量誤差后，我們進(jìn)一步確定為L(zhǎng)aNi5相金屬間化合物。

3.3La-Ni金屬間化合物生成的熱力學(xué)研究

采用開(kāi)路計(jì)時(shí)電位曲線進(jìn)一步研究了La-Ni金屬間化合物生成的熱力學(xué)。根據(jù)以上XRD以及SEM-EDS分析可知道，該濃度下的循環(huán)伏安和方波伏安曲線只出現(xiàn)3個(gè)I、II和III三種金屬間化合物，并且恒電位電解只獲得3種產(chǎn)物。我們可以確定I、II和III三種金屬間分別是La2Ni3、La7Ni16和LaNi5。根據(jù)相圖可知，LaNi5是最富Ni的金屬間化合物，我們可以根據(jù)開(kāi)路計(jì)時(shí)電位計(jì)算LaNi5的生成吉布斯自由能26。

采用開(kāi)路計(jì)時(shí)電位曲線進(jìn)一步研究了La-Ni金屬間化合物生成的熱力學(xué)。在LiCl-KCl-(3.5%(w)) LaCl3熔鹽中Ni電極上，－2.50 V沉積50 s，獲得La-Ni合金的一個(gè)薄層。圖7為773 K條件下，恒電位的開(kāi)路計(jì)時(shí)電位曲線。我們可以清楚地觀察到4個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)A表示La(III)/La的平衡。而平臺(tái)I、II和III則分別表示La2Ni3、La7Ni16和LaNi5三種金屬間化合物。

電位平臺(tái)的平衡電位可以轉(zhuǎn)化對(duì)于La(0)的電動(dòng)勢(shì)，可以估算LaNi5金屬間化合物的生成吉布斯自由能26，數(shù)據(jù)如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出，本文中獲得的生成吉布斯自由能要大于Dischinger27和Lantelme6等的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。分析原因認(rèn)為：(1)實(shí)驗(yàn)溫度不同；(2)平臺(tái)對(duì)應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)不同；(3)對(duì)平臺(tái)的確定和取值不同。(4)測(cè)量方法不同。

圖7　電沉積后LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3熔鹽中Ni電極的開(kāi)路計(jì)時(shí)電位曲線圖Fig.7　Open-circuit potential transient curve for a Ni electrode after electrodepositing

表1　LaNi5金屬間化合物的生成吉布斯自由能數(shù)據(jù)Table 1　Gibbs energies of formation for LaNi5intermetallic compounds

4　結(jié)論

通過(guò)多種電化學(xué)方法研究了773 K條件下La (III)在LiCl-KCl熔鹽中W和Ni電極上的電化學(xué)行為。根據(jù)循環(huán)伏安、方波伏安和開(kāi)路計(jì)時(shí)電位法的研究可知，通過(guò)在Ni電極上直接電沉積La的方法可以獲得La-Ni金屬間化合物。恒電位電解可以獲得含三種金屬間化合物(LaNi5、La7Ni16和La2Ni3)的La-Ni合金層，并且通過(guò)XRD和SEM-EDS確定物相并表征結(jié)構(gòu)。采用電動(dòng)勢(shì)方法估算了LaNi5金屬間化合物的生成吉布斯自由能。電解方法可成為制備La-Ni金屬間化合物以及提取熔鹽中La的有效方法。

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Electrochemical Behavior of La(III)in Molten LiCl-KCl-LaCl3

JIANG Tao1TIAN Jie1WANG Ning1PENG Shu-Ming1,*LI Mei2HAN Wei2ZHANG Mi-Lin2
(1Institute of Nuclear Physics and Chemistry,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621999,Sichuan Province,P.R. China;2Key Laboratory of Superlight Materials and Surface Technology,Ministry of Education,College of Materials Science and Chemical Engineering,Harbin Engineering University,Harbin 150001,P.R.China)

Electrochemical and thermodynamic studies on the formation of La-Ni intermetallic compounds in molten LiCl-KCl-(3.5%(w))LaCl3at 773 K were performed.The electrochemical reduction of La(III)ions was investigated on inert W and reactive Ni electrodes by cyclic voltammetry.The reduction potential of La(III)/La on a Ni electrode was observed at more positive potential than that on a W electrode because of the formation of La-Ni intermetallic compounds when La ions reacted with the Ni substrate.Square-wave voltammetry, chronopotentiometry,and open-circuit chronopotentiometry provided further evidence for the formation of La-Ni intermetallic compounds.Potentiostatic electrolysis on a Ni electrode led to the formation of three La-Ni intermetallic compounds,LaNi5,La7Ni16and La2Ni3,according to X-ray diffraction(XRD)and scanning electron microscopy-energy-dispersive X-ray spectroscopy(SEM-EDS)analyses.The standard Gibbs free energies of formation for LaNi5were estimated from open-circuit chronopotentiometric measurements using the Gibbs-Helmholtz equation and Hess law.The formation of the La-Ni alloy layer could be controlled by the applied potential and time.Potentiostatic electrolysis was an effective method for electrochemical extraction of La.

LiCl-KCl-LaCl3;La-Ni;Alloy layer;Gibbs free energy

1　引言

鑭(La)是鑭系中原子量最小的元素，它的中子吸收截面較大，能夠阻礙可嬗變錒系元素俘獲中子，降低嬗變效率，因此在乏燃料干法后處理中必須考慮它的分離提取問(wèn)題。對(duì)于La(III)在惰性電極上的電化學(xué)行為進(jìn)行了許多研究，包括LiCl-KCl1－4、CaCl2-NaCl1和LiF-NaF-KF-LaF32熔鹽體系。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在LiCl-KCl熔鹽中，La (III)的還原是一步三電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)3,4。Castrillejo等1利用循環(huán)伏安、計(jì)時(shí)電位和計(jì)時(shí)電流技術(shù)探討了La(III)的反應(yīng)機(jī)理、成核現(xiàn)象和電活性離子的輸運(yùn)參數(shù)。Vandarkuzhali等3在LiCl-KCl熔鹽中活性Al電極上利用瞬態(tài)電化學(xué)技術(shù)研究了La(III)的電化學(xué)行為，獲得了Al11La3金屬間化合物，并利用開(kāi)路計(jì)時(shí)電位曲線計(jì)算了其生成熱力學(xué)參數(shù)(吉布斯自由能)和La(III)的擴(kuò)散系數(shù)。Ito小組5在LiFNaF-KF-LaF3熔鹽中Pd電極上研究了Pd3La合金鍍層的電化學(xué)制備。Lantelme等6利用瞬態(tài)電化學(xué)技術(shù)研究了LiCl-KCl熔鹽中鑭系(La、Ce、Pr、Gd和Y)離子的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，并計(jì)算了La-Ni和Gd-Ni金屬間化合物的生成吉布斯自由能。張密林課題組7在LiCl-KCl-MgCl2-KF-Ln2(CO3)3熔鹽中電解制備了Mg-Li-Ce-La四元合金。

March 18,2016;Revised:June 21,2016;Published online:June 22,2016.

.Email:pengshuming@caep.cn;Tel:+86-816-2493835.

O641；O643

10.3866/PKU.WHXB201606223

The project was supported by the Major Research Plan of the National Natural Science Foundation of China(91426302)and National Natural Science Foundation of China(21301163).

國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃-集成項(xiàng)目(91426302)和國(guó)家自然科學(xué)基金(21301163)資助?Editorial office ofActa Physico-Chimica Sinica

(22) Okamoto,H.J.Phase Equilib.2001,22(6),693.10.1007/ s11669-001-0048-4