[发明专利]过渡金属硼化物的制备工艺及其应用

说明书

技术领域

本发明涉及过渡金属硼化物，尤其涉及过渡金属硼化物的制备工艺及其应用。

背景技术

目前铝电解工业仍采用传统的Hall-Heroult法，电解质一直以冰晶石-氧化铝为基本体系，现行的预焙阳极电解槽主要采用碳素阴极。碳素阴极对铝液不润湿，且会受到冰晶石的长期腐蚀，为延长电解槽的使用寿命，往往需要在碳素阴极表面涂覆惰性涂层。过渡金属硼化物对铝液具有良好的润湿性，且耐冰晶石的腐蚀，因此过渡金属硼化物非常适用于碳素阴极表面涂层。同时，过渡金属硼化物由于对铝液具有良好的润湿性，耐冰晶石的腐蚀，且兼备优良的导电性和抗热冲击性，可用于制备惰性阳极材料。由于硼化钛等过渡金属硼化物价格昂贵，目前难以实现其在制备碳素阴极表面涂层材料和惰性阳极材料中的广泛应用。

现有的过渡金属硼化物工业生产主要是由钛、锆、铬或钒和单质硼在高温下直接反应而得。由于单质硼的工业生产得率不高（往往低于90%）且生产成本高，单质硼的价格昂贵导致了过渡金属硼化物的价格昂贵，从而限制了过渡金属硼化物的大规模工业生产。

发明内容

为解决现有技术中存在的技术问题，发明人在过渡金属硼化物及其生产原料的制备方面进行了大量的探索，预料不到地发现，以氟硼酸钾或氟硼酸钠为原料，采用热化学还原的方法生产单质硼，再以单质硼和过渡金属为原料生产相应的过渡金属硼化物，具有制备工艺简单，产物得率高，产物性能好的优点，从而降低了过渡金属硼化物的综合生产成本。

本发明提供一种过渡金属硼化物的制备工艺，包括如下步骤：

A） 将铝放入反应器中，抽真空后通入惰性气体，升温至700~800℃，往反应器中加入干燥的氟硼酸钾或氟硼酸钠，快速搅拌，反应4~6h，生成单质硼和冰晶石，将上层熔融的液体抽出，分离得到单质硼；涉及的化学反应式为：

KBF₄+Al＝B+KF·AlF₃，NaBF₄+Al＝B+NaF·AlF₃；

B） 往得到的单质硼中加入过渡金属硼化物，在1800~2500℃条件下反应0.5~2h生成相应的过渡金属硼化物。

采用上述技术方案，本发明提供的过渡金属硼化物的制备工艺具有工艺简单，反应周期短，产物得率高，产物性能好的优点，从而降低了过渡金属硼化物的综合生产成本，可实现大规模工业生产。

作为本发明的进一步改进，所述过渡金属选自钛、锆、铬或钒，涉及的化学反应式为：Ti+2B= TiB₂，Zr+2B= ZrB₂，Cr +2B= CrB₂，V+2B= VB₂。

作为本发明的进一步改进，所述惰性气体为氩气。

本发明还提供所述的过渡金属硼化物的制备方法制备的过渡金属硼化物在制备预焙阳极电解槽阴极涂层中的应用。采用本发明制备的过渡金属硼化物（包括硼化钛、硼化锆、硼化铬和硼化钒）导电性能和机械强度好，对铝液具有良好的润湿性，且耐冰晶石的腐蚀，将得到的硼化钛与碳素材料熔融，捣固到碳素阴极表面，经烧结后形成铝电解用惰性阴极涂层材料。

本发明还提供所述的过渡金属硼化物的制备方法制备的过渡金属硼化物在制备预焙阳极电解槽惰性阳极材料中的应用。本发明制备的过渡金属硼化物具有导电性能好、抗腐蚀和抗冲击能力强等优点，将得到的硼化钛与碳素材料混合均匀后，高压成型，经高温烧结后形成铝电解用惰性阳极材料。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供的过渡金属硼化物的制备具有制备工艺简单，反应周期短，可提高单质硼的生产效率和得率，产物性能好，降低了过渡金属硼化物的综合生产成本，经济效益好，实现大规模工业生产；本发明制备的过渡金属硼化物对铝液具有良好的润湿性，且耐冰晶石的腐蚀，可广泛应用于预焙阳极电解槽碳素阴极表面涂层以及惰性阳极材料的制备。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明做进一步详细说明。

实施例一

称取2吨铝置于反应器中，抽真空后通入氩气保护，升温至750℃，按反应比例往反应器中加入干燥的氟硼酸钾，快速搅拌，反应5h，生成单质硼和冰晶石，经现有的常规分离方法分离后得到单质硼，干燥后称重为0.78吨，产率达到95%以上；将得到的单质硼置于另一反应器中，按反应比例往该反应器中加入钛粉，升温至2000℃，反应1h后反应完全，生成硼化钛。

实施例二