微等离子体电极在熔盐电解及在线分析中的应用

【作者】 魏国玉； 陆跃翔； 刘爽； 刘学刚； 陈靖；

【机构】 清华大学核能与新能源技术研究院；

【摘要】 熔盐电解已经被证明是一种绿色高效的技术可以用于难熔金属的提取和纳米材料的合成。^[1]在乏燃料后处理过程中,熔盐电解技术也被用于铀钚等金属的分离和回收。^[2]熔盐电解苛刻的高温高腐蚀性的工作环境对于电极材料提出了更高的要求。^[3]为了满足耐腐蚀的需求,传统的熔盐电解多使用贵金属（Pt、Ir等）作为阳极,而此类电极价格昂贵难以工业化推广。碳棒阳极具有价格低廉的优势,但在金属氧化物电解还原的过程中,阳极会产生二氧化碳气体,在阴极产物上也经常会有碳沉积,造成后续处理工艺的增加。另一方面,实时监测电解过程中金属离子浓度的变化,对于控制电解过程和产物质量非常重要。目前的熔盐分析多采用离线检测的方法,将熔盐取样、冷却、溶解后再分析,虽然分析的灵敏度较高但过程繁琐耗时,不能及时有效的指导生产的进行。在本文中,我们研究了一种基于直流辉光放电的微等离子体作为耐腐蚀电极用于熔盐电解的可行性,提出将这种等离子体电极可以同时作为熔盐电极的阳极和原子发射光谱的激发源,实现电解的同时在线监测金属离子的浓度。在LiCl-KCl熔盐中,以Ag/Ag⁺氧化还原体系作为模型研究对象,我们发现微等离子体可以作为一种气体阳极将电荷传输到熔盐中,Ag沉积在固体阴极上的电流效率可以达到90%以上。同时,我们比较了等离子体气体电极与不锈钢阳极的耐腐蚀性能,发现气体电极在氯化物和碳酸盐熔盐体系中均表现出了优异的耐腐蚀性能,不会将杂原子引入到熔盐中造成熔盐或产品污染,从而也为在线分析提供了可能性。最后,我们以等离子体阳极作为原子发射光谱的激发源,检测到了熔盐中K、Li和Ag的特征谱线,并且实现了对熔盐中Ag的定量分析。我们的工作不仅为熔盐电解提供了一种新型的耐腐蚀电极,也发展了一种基于原子发射光谱的用于熔盐中金属离子在线分析的策略,为等离子体电化学的应用、熔盐电解电极研究及熔盐在线分析提供了新的思路。更多还原