[发明专利]钌酸钙电极材料

说明书

技术领域

本发明涉及新的电极材料，并且尤其但不限于在电-化学金属提炼工艺中使用的阳极材料。

背景技术

一般在含有熔化的电解液或熔体(melt)的电解槽中进行电-化学金属提炼工艺，该电解槽还具有浸入到电解液或熔体中的阴极和阳极，这样在阴极和阳极之间施加电位差，在阴极或其附近金属被还原，并且在阳极或其附近出现阴离子的氧化。

从各种起始原料中回收金属的有很多已公知或正在发明中的电解提取工艺。其中很多工艺需要阳极为惰性，并在工艺进行时保持对来自工艺进行中的电解槽内出现的不同物质腐蚀的惰性。

稳定的惰性阳极材料一般必须具有很好的导电性，必须不在电解槽中溶解或与电解槽中在工艺操作过程中被释出或析出的物质发生反应。

用于生产铝的霍尔-赫劳尔特(Hall-Heroult)工艺例如使用具有熔化的氟化物熔体和碳素阳极的电解槽。这种阳极在使用中往往被消耗并且常常遇到由此形成粉尘的相关问题。因此，在过去的70年左右的时间一直致力于发现一种改进的能够耐受熔体、氟和氧的阳极材料。

已经在研究氧化物材料并且近期的工作已经认为锡氧化物可能适于作惰性阳极材料。但是，随着氧化物在工艺过程中逐渐被消耗，往往有一些铝被锡污染。

同样研究了包括镍铁素体和银以及铜的金属陶瓷材料作为惰性阳极材料。另一种方法已使用形成在熔体中缓慢溶解的氧化物的金属部件。这两种方案都遇到了不同的问题并且都没在实际中使用。

广泛的实验工作已经表明一些金属合金，例如Haynes(^TM)镍-铬合金通常在侵蚀性熔体中很稳定。一旦有这种阳极，电解槽中就被施加了阳极电位，但是，这种合金材料往往很快腐蚀并且在熔体中溶解。

还研究了三元层状碳化物(titanium silicon carbide)。但是，发现了在工作的电解槽的条件下，在阳极上形成钛酸钙。这种材料是绝缘体，使得该材料不能再作为电极。

已知一种用来从含有钛金属的氧化起始原料中回收钛和其他金属的具体电解工艺是剑桥FFC(Cambridge FFC)工艺。在以剑桥大学技术服务有限公司名义的专利申请号为WO 99/64638的专利申请中描述了这种工艺。

在剑桥工艺中，工作温度在900摄氏度级的电解槽包括氯化钙熔体，金属氧化物材料形成阴极，并且具有阳极。电位施加到阴极时，金属氧化物中的氧被电离并溶解在熔体中。氯化钙对氧离子具有极大的溶解度，氧离子扩散到离子被放电的阳极。

在FFC工艺的进展中，碳常常作为阳极材料被提出并测试。但是，其确实往往与氧反应形成二氧化碳和一氧化碳的混合物。因此，在实际中，阳极往往作为这种反应的结果被消耗。另外，碳素阳极在反应过程中往往被机械地破碎并形成在整个熔体中分布的颗粒，从而由短路导致电流的浪费以及对产品的污染。碳素阳极中的杂质也往往污染阴极产品。

并且，上述反应中在阳极上形成的二氧化碳在氯化钙中具有极大的溶解度并且被溶解的二氧化碳会扩散至阴极，该处发生如下的放电：

CO²+O²-＝CO₃^2-

CO₃^2-+4e＝C+3O^2-

然后氧离子会扩散至阳极，形成更多的二氧化碳，并且重复整个过程。这会导致电流效率的降低并且产品被碳污染。

因此，需要一种阳极材料能够克服这些和相似的问题，并通常在电解工艺尤其是在金属氧化物的电还原工艺过程中保持惰性。

发明内容

本发明的阳极材料已被发现通常满足这种需要。

根据本发明，提供一种用于电解工艺的惰性阳极材料，其包括钌酸钙。【请注意虽然在实际中可能使用不同的化学计量，名义上这种化合物的分子式为CaRuO₃】。

由本发明的阳极材料制成的阳极，以及在电解池中利用本发明的阳极材料作为阳极的电解工艺都包括在本发明保护范围内。

出乎意料地发现钌酸钙阳极材料在电解工艺的使用中展现了极优的导电性以及在很多电解液/熔体中的耐腐蚀性。

在对本发明的阳极材料的研究中，发现凭借其良好的导电性以及在所采用的高温氯化物熔体中的物理和化学耐腐蚀性(其他因素除外)，本发明的阳极材料尤其适用于剑桥FFC工艺(和相关工艺)，如上所述，该工艺使用包含氯化钙并且在900摄氏度或以上级别的高温工作。