На основании анализа результатов вольтамперных измерений (табл.3.1.), электродную реакцию восстановления фторалюминат-иона в хлоридных расплавах можно представить в виде:

AlF63- + xCl- [AlF6-xClx]3-

[AlF6-xClx]3- + 3e → Al + (6-x)F- + xCl-

При добавлении фторид-иона происходит химическая реакция:

AlF6-xClx + xF AlF63- + xCl-

AlF63- + 3e → Al + 6F-

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.

Рис. 3.2. Диаграмма плавкости системы Al - Gd

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 – GdAl2 плавится 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 Na3AlF6 и 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 Na3AlF6 и 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.