电积锌用铝基多元合金阴极的制备及性能研究

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近年来,随着矿品质量的不断下跌、电解液杂质含量的增加,湿法炼锌行业面临严峻挑战,锌沉积过程中铝阴极出现腐蚀加剧、使用寿命缩短、剥锌困难等问题直接影响着电积锌正常生产,研究开发高强度、强耐蚀、优异电化学性能的阴极电极材料成为现实需要。本论文以纯铝阴极为研究基础,在其中添加强化元素Mn、Mg、RE、Cr分别进行熔铸,对制备的合金在光学显微镜下进行金相组织观测,研究添加元素对合金组织的影响及晶粒分布状况;通过阴极极化曲线测试研究添加合金元素后电极的电化学行为,同时对其进行塔菲尔线性拟合,分析探讨合金电极的析氢动力学过程;采用塔菲尔曲线测试得出合金电极的腐蚀电位、腐蚀电流参数,同时结合腐蚀失重浸泡实验测得的腐蚀溶解速率及表面腐蚀微观形貌,研究添加元素对电极耐蚀性能的影响。主要研究结果如下:(1)添加合金元素后,铝基体组织得到细化,晶粒尺寸减小。从细化程度来看,Mg和RE元素对铝基体晶粒的细化程度最大,其次为Cr,最后为Mn,并且晶粒组织细化程度随合金元素添加量的增加而增大。(2)合金元素的添加提高了电极的响应速率,响应电位负移,电催化活性提高。在制备的Al-Me二元合金中,添加元素的最佳含量分别为1.5%Mn、2.0%Mg、1.0%RE。析氢动力学过程显示,在500·Am-2下各合金电极的析氢过电位η的大小依次为:Al-2.0%Mg>Al-0.2%Cr>Al-1.0%RE>Al-1.5%Mn>Pure Al。零电势时的i0至少提高10个数量级,电极反应速率提升。较优合金组表观交换电流密度i0的大小依次为:Al-2.0%Mg>Al-1.0%RE>Al-1.5%Mn>Al-0.2%Cr>Pure Al。(3)合金元素的种类及添加量对电极的耐蚀性影响较大,含Mn电极的耐蚀性增强,添加Cr元素会加剧铝基体溶解,含Mg、RE电极的耐蚀性随添加量的不同而改变。其中较优组的耐蚀性状况依次为:Al-1.5%Mn>Al-1.0%RE>Al-2.0%Mg>Pure Al。(4)铝基三元合金Al-1.5%Mn-Me性能测试显示,电极响应速率与Al-Me二元合金的变化规律相同,同一电流下的响应电位负移,极化度增大,抑制析氢的阻碍力增大。同一合金组中性能最佳添加量分别为1.0%Mg、1.0%RE和0.2%Cr,它们在500·Am-2下的析氢过电位η的大小依次Al-1.5%Mn-0.2%Cr>Al-1.5%Mn-1.0%RE>Al-1.5%Mn-1.0%Mg>Al-1.5%Mn>Pure Al;零电势下的i0由大到小的顺序为:Al-1.5%Mn-1.0%Mg>Al-1.5%Mn-1.0%RE>Al-1.5%Mn-0.2%Cr>Al-1.5%Mn>Pure Al。(5)在Al-1.5%Mn的基础上分别添加Mg、Cr和RE,电极的耐蚀性较纯铝在二元的基础大幅度提高,抗蚀力增强。Mn与Cr共同添加可降低Cr元素带来的缺陷,提高耐蚀性。其中较优组耐蚀力大小依次为:Al-1.5%Mn>Al-1.5%Mn-1.0%Mg>Al-1.5%Mn-1.0%RE>Al-1.5%Mn-0.5%Cr>Pure Al。(6)Al-1.5%Mn-1.0%Mg、Al-1.5%Mn-1.0%RE、Al-1.5%Mn-0.5%Cr、Al-1.5%Mn、Al-1.0%RE、Al-2.0%Mg的综合性能较佳,可作为锌电积应用实践来进一步实验研究。
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