近日，bet365备用网址
肖赛君副教授负责的“熔盐电泳沉积”研究团队与郑州大学、郑州轻冶科技股份有限公司、日本东北大学及挪威科技大学合作，在国际知名期刊《ACS Nano》发表题为“Full-Density TiB2Cathodes for Energy-Efficient Aluminum Electrolysis via Oriented Assembly in Molten Salts”研究论文，报道了面向铝电解节能降碳用TiB2涂层阴极原位制备新工艺。我校为论文第一单位，寇倩博士为第一作者，肖赛君副教授为论文第一通讯作者。该研究得到国家自然科学基金原创探索计划项目、产学研项目“铝电解用可润湿性阴极制备”等资助。
在能源转型与“双碳”目标背景下，电解铝行业可持续发展面临能耗高、碳排放强度大的突出挑战。铝作为光伏、风电等清洁能源产业链中的关键金属，需求持续增长，但传统Hall-Héroult法电解过程的高能耗与高排放已成为有色冶金行业绿色低碳转型的重要瓶颈。以TiB2涂层阴极替代传统碳阴极，被认为是实现电解铝工艺节能降碳的重要路径之一。TiB2具有优良导电性、耐腐蚀性以及对铝液的良好润湿性，但现有涂层体系普遍存在抗热震能力不足、易开裂等问题，限制其工业应用。因此，发展可在铝电解槽中原位制备以降低温度波动导致失效风险的TiB2涂层阴极新技术具有重要意义。基于团队前期发现的“熔盐中纳米颗粒电泳沉积”现象及提出的“熔盐电泳沉积制备涂层”方法，该研究开发了在冰晶石基熔盐中电泳沉积原位制备TiB2涂层阴极的新工艺（图1）。
图1基于冰晶石基熔盐中电泳沉积原位制备TiB2涂层阴极的电解铝新工艺
该研究首先在冰晶石基熔盐体系中通过硼热还原反应制备出平均粒径4.1 nm的超小TiB2纳米颗粒，并实现其稳定悬浮；随后施加1.2 V电泳电压沉积1 h，可在阴极表面获得厚度约60μm的TiB2涂层（图2a–c）。该涂层表现出全致密结构（图2d–f）、高硬度（图2g）、低氧含量（<90 ppm）（图2h），且对铝液润湿性优异（1233 K时接触角接近0°，图2i），为提升阴极服役稳定性提供了前提。值得关注的是，该原位制备工艺在不同冰晶石熔盐组成、不同基体材料以及不同电极配置条件下均展现出良好适用性，为其在Hall-Héroult电解槽、工业导流槽及垂直惰性阳极电解槽等多种装置体系中的推广应用奠定了基础。
图2冰晶石基熔盐中电泳沉积原位制备TiB2涂层阴极组织结构与性能测试
团队进一步采用所制备的TiB2涂层阴极开展铝电解实验。电解持续48 h，电流效率约90%，槽电压稳定在2.5–3.5 V范围。电解后表征显示阴极尺寸稳定，涂层保持良好结构完整性，未见裂纹及钠、铝渗透迹象；测得腐蚀速率约0.09 mm·a⁻¹。研究认为，该低腐蚀速率得益于涂层的完全致密化有效阻隔熔盐/铝液渗透，以及极低氧含量显著降低氧化物生成并减轻晶界侵蚀。为阐明超小TiB2纳米颗粒如何在熔盐电场作用下形成全致密涂层，研究克服高温熔盐电泳沉积过程难以原位观察的技术瓶颈，采用“电极表面粘附熔盐瞬时凝固”方法对涂层生长过程进行“定格”。结果揭示了涂层致密化形成的关键路径：TiB2纳米颗粒在电场诱导下发生取向附着（oriented attachment，OA）结晶，随后粗化形成数百纳米尺度的单晶晶粒，并进一步生长成为致密的微米级多晶涂层（图3）。该机理认识为高温熔盐体系中纳米颗粒的外场组装与致密涂层构筑提供了重要参考。
图3熔盐电泳沉积制备的TiB2涂层生长模型及取向附着结晶
该成果围绕电解铝节能降碳的关键材料瓶颈，提出了一种具备应用潜力的TiB2涂层阴极原位制备策略，展示了熔盐电泳沉积（高温熔体中电场诱导纳米组装）在传统冶金工业用材料合成难题中的巧妙应用。熔盐已被广泛证明是稳定分散或合成碳化物、氮化物等纳米材料的优良溶剂，同时熔盐也能够为纳米颗粒组装过程提供高温且无氧环境。冰晶石基熔盐中电场诱导纳米TiB2组装过程的揭示及其应用研究，将推动电场作用下，熔盐等高温熔体中碳化物、氮化物等各类纳米颗粒的组装研究，为目前聚焦于常温溶液的纳米组装与电泳沉积提供新的研究视角。
论文链接：//doi.org/10.1021/acsnano.5c17556
