[发明专利]离子液体电解四氯化钛制备金属钛或电镀金属钛的方法

说明书

技术领域

本发明属于有色金属材料领域，特别涉及一种室温离子液体电解四氯化钛制备金属钛或电镀金属钛的方法。

背景技术

钛密度小，强度高，同时具有很好的耐热、耐低温和耐腐蚀性能，在航空、海洋、石油、能源、化工和医用等领域应用日益广泛。目前以四氯化钛为原料生产金属钛的工业化生产方法有镁热还原法(Kroll法)和钠热还原法(Hunter法)。这两种方法分别使用金属镁或钠在800～1000℃下将四氯化钛还原为钛。这两种方法使用的还原金属(镁或钠)成本高，同时反应需要高温使得能耗较高，而且设备投资大，只能间歇操作，所以，这两种方法的钛生产成本很高。研究者试图开发新的、低成本的连续化工艺以解决Kroll法和Hunter法的高成本问题。美国专利US3114685提出了一种采用熔盐直接电解四氯化钛生产金属钛的方法，可连续操作。但是反应温度在700℃以上，能耗仍然很高，反应器材质要求也高，增加了生产成本。国际专利WO99/64638报道了一种二氧化钛的氯化钙熔盐电化学还原制备钛的方法，由于使用二氧化钛作为原料使得成本四氯化钛低于电解法，但是同样使用高温熔盐电解，成本较高。近年来发展了使用室温离子液体电解四氯化钛制备钛的方法，如国际专利WO2005/103338报道了一种利用离子液体电解钛铁化合物制备钛铁合金的装置和方法。这种离子液体方法电解能低于200℃下进行，避免使用高温熔盐，同时离子液体的电化学窗口较宽使得电流效率较高，从而能耗远低于熔盐电解，应用前景非常广泛。但是，由于钛的还原是分步进行的，目前报道的四氯化钛离子液体电解方法得到的金属钛含有中间产物三氯化钛或二氯化钛，从而纯度不高，同时只能得到粉末或海绵状钛，难以实现金属钛在基体电极上的良好电镀。所以，克服目前离子液体电解法生产金属钛的纯度不高等缺点，特别是同时能实现金属钛的电镀，在金属表面处理方面意义重大。

发明内容

本发明的目的是针对目前离子液体电解四氯化钛制备金属钛纯度不高和镀层不好等缺点，通过提供一种离子液体电解的方法来实现制备或电镀高纯度金属钛。

本发明的离子液体电解四氯化钛制备金属钛或电镀金属钛的方法包括以下步骤：

(1)将离子液体真空脱水24～48小时，然后加入质量为离子液体质量0.5％～5％的能使钛均匀沉积的有机溶剂作为整平试剂配制成电解液；

(2)在安装有一个阳极及两个阴极的电解槽中，以抛光(如用砂纸打磨)清洗后的金属钛、碳钢或铂片等基体电极作为电解槽中的沉积阴极，以抛光清洗后的铂电极(如用砂纸打磨)作为电解槽中加料处工作阴极，在沉积阴极与加料处工作阴极之间，以及在加料处工作阴极与阳极之间用多孔隔膜隔开；以铂丝作为参比电极；

(3)将步骤(1)的电解液加入到步骤(2)的电解槽中；在高纯氮气或高纯氩气保护气下保持反应液体温度在20～100℃；开动电解槽中的搅拌器和循环泵；使用双恒电位仪控制电解槽的加料处工作阴极和沉积阴极的恒电位分别相对于参比电极为-1.0V vs.Pt，在该电位下进行恒电位预电解，然后连续向电解液中滴加四氯化钛；

(4)在步骤(3)加入四氯化钛后，使用双恒电位仪先控制加料处工作阴极的电位相对于参比电极为-1.0～-0.2V vs.Pt，在该电位下进行恒电位电解1～2小时后，再控制沉积阴极的电位相对于参比电极为-2.0～-1.0V vs.Pt，此时加料处工作阴极仍保持原恒电位，在加料处工作阴极及沉积阴极保持上述电位下进行恒电位电解制备金属钛或电镀金属钛，沉积阴极电解2～6小时后取出，更换新的沉积阴极。

所述的多孔隔膜是多孔玻璃砂芯或多孔陶瓷，孔径为1～20μm。

所述的加料处工作阴极或阳极的电极面积是沉积阴极面积的1.5～3倍。

所述的阳极是铂电极或石墨电极等。