Potentiostatic electrolysis of fluoride melts with zirconium oxide additives

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Currently, the demand for zirconium-based alloys and materials is growing significantly due to their high thermal and corrosion resistance combined with mechanical strength. Existing technologies for producing zirconium and its alloys are complicated by the high temperature of the process, or labor intensity and multi-stage nature, which significantly increases the cost of the target material up to the loss of profitability of the process. Electrochemical synthesis of zirconium and its alloys in fluoride-based melts, using zirconium oxides as the main metal-containing consumable component, seems more profitable. In this work, a series of electrolysis tests were carried out to deposit Al-Zr alloy at a potential of 1.6 V on graphite and molybdenum cathodes. According to the previously obtained results, in the presence of ZrO2 in the KF-AlF3-Al2O3 melt, a plateau and a discharge peak of electroactive ions appear on the cathode branch of the voltammograms at potentials of -1.4 and -1.7 V, ZrI and ZrII, respectively. Similar responses appear on tungsten at potentials of -1.3 and -1.6 V, respectively, and in the potential region of -1.9 V there is a clear peak (Al) of electroreduction of aluminum ions. As a result of electrolysis, it was found that the graphite anode was consumed, and a fairly well-bonded deposit was formed on the cathode. Part of the cathode deposit was mechanically separated from the cathode for analysis of its chemical and phase composition. Based on the results of X-ray phase analysis, it was found that the cathode deposit mainly consists of Al3Zr and aluminum compounds with molybdenum impurities, with the composition Al12Mo, which is consistent with known ideas about the formation of intermetallic compounds during the interaction of aluminum with other metals. Electrolysis of the melt on the graphite cathode was carried out under similar conditions. Based on a microphotograph of the cathode cross section, it was found that during electrolysis, a layer of deposit containing both zirconium and aluminum was formed at the electrode-electrolyte phase boundary.

Full Text

Restricted Access

About the authors

А. А. Filatov

Institute of High Temperature Electrochemistry UB RAS

Author for correspondence.
Email: Aleksander.F.A@yandex.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

References

  1. A.A. Filatov, P.S. Pershin, A.Yu. Nikolayev, A.V. Suzdal’tsev. Polucheniye splavov i ligatur Al-Zr pri elektrolize rasplavov KF-NaF-AlF3-ZrO2 [Production of Al-Zr alloys and ligatures by electrolysis of KF-NaF-AlF3-ZrO2 melts] // Tsvetnyye metally. 2017. № 11. P. 27–31. [In Russian].
  2. A.A. Filatov, O.Yu. Tkacheva, P.S. Pershin, A.S. Kholkina, Yu.P. Zaykov. Izucheniye elektrokhimicheskikh protsessov v rasplavlennykh solyakh [Study of electrochemical processes in molten salts]. Yekaterinburg: Izd-vo Ural. un-ta. 2020. [In Russian].
  3. P.S. Pershin, A.A. Kataev, A.A. Filatov, A.V. Suzdaltsev, Yu. P. Zaikov. Synthesis of Al-Zr alloys via ZrO2 aluminum-thermal reduction in KF-AlF3-based melts // Metallurgical and Materials Transactions B. 2017. 48. P. 1962–1969.
  4. P.S. Pershin, A.A. Filatov, A.V. Suzdal’tsev, Yu.P. Zaykov. Alyumotermicheskoye polucheniye splavov Al-Zr v rasplave KF-AlF3 [Aluminothermic production of Al-Zr alloys in KF-AlF3 melt] // Rasplavy. 2016. № 5. P. 413–421. [In Russian].
  5. A.A. Filatov, P.S. Pershin, A.V. Suzdaltsev, A.Yu. Nikolaev, Y. Zaikov. Synthesis of Al-Zr master alloys via the electrolysis of KF-NaF-AlF3-ZrO2 melts // Journal of the Electrochemical Society. 2018. 165. № 2. P. 28–34.
  6. A.V. Suzdal’tsev, A.A. Filatov, A.Yu. Nikolayev, A.A. Pankratov, N.G. Molchanova, Yu.P. Zaykov. Izvlecheniye skandiya i tsirkoniya iz ikh oksidov pri elektrolize oksidno-ftoridnykh rasplavov [Extraction of scandium and zirconium from their oxides during the electrolysis of oxide-fluoride melts] // Rasplavy. 2018. № 1. P. 5–13. [In Russian].
  7. P.S. Pershin, A.Yu. Nikolayev, A.V. Suzdal’tsev, Yu.P. Zaykov, A.A. Filatov. Katodnyye protsessy pri sinteze splavov Al-Zr v rasplave KF-AlF3-Al2O3-ZrO2 [Cathodic processes in the synthesis of Al-Zr alloys in the KF-AlF3-Al2O3-ZrO2 melt] // Butlerovskiye soobshcheniya. 2017. 49. № 2. P. 110–116. [In Russian].
  8. A.V. Suzdaltsev, A.A. Filatov, A.Yu. Nikolaev, A.A. Pankratov, N.G. Molchanova, Yu.P. Zaikov. Extraction of Scandium and Zirconium from their oxides during the electrolysis of oxide–fluoride melts // Russian Metallurgy (Metally). 2018. № 2. P. 133–138.
  9. A.A. Filatov, A.V. Suzdal’tsev, N.G. Molchanova, A.A. Pankratov, Yu.P. Zaykov, T.N. Ostanina. Korrozionnoye povedeniye splavov i ligatur Al-Zr v rastvore NaCl [orrosion behavior of Al-Zr alloys and ligatures in NaCl solution] // Butlerovskiye soobshcheniya. 2018. 55. № 8. S. 109–115. [In Russian].
  10. A.A. Filatov, A.V. Suzdal’tsev, A. Yu. Nikolayev, Yu.P. Zaykov. Kinetika elektrovydeleniya tsirkoniya i alyuminiya iz rasplavov KF–AlF3–ZrO2 [Kinetics of electrolysis of zirconium and aluminum from KF–AlF3–ZrO2 melts] // Rasplavy. 2019. № 3. P. 287–304 . [In Russian].
  11. A.V. Suzdaltsev, P.S. Pershin, A.A. Filatov, A.Yu. Nikolaev, Yu.P. Zaikov. Review – Synthesis of aluminum master alloys in oxide-fluoride melts: A review // Journal of the Electrochemical Society. 2020. 167. № 10. P. 167.
  12. A.A. Filatov, A.V. Suzdal’tsev, Yu.P. Zaykov. Sravnitel’nyy analiz sovremennykh sposobov proizvodstva ligatur Al–Zr [Comparative analysis of modern production method of Al–Zr ligature] // Tsvetnyye metally. 2021. № 4. P. 78–86. [In Russian].
  13. A.A. Filatov, A.V. Suzdal’tsev, Yu.P. Zaykov. Modifitsiruyushchaya sposobnost’ ligatury Al–Zr [Modyfying ability of Al-Zr ligature] // Rasplavy. 2021. № 3. P. 315–322. [In Russian].
  14. A.A. Filatov, A.V. Suzdal’tsev, Yu.P. Zaikov. Modifying ability of an Al–Zr master alloy // Russian Metallurgy (Metally). 2021. P. 1036–1039.
  15. A.A. Filatov, A.V. Su-zdaltsev, Yu.P. Zaikov. Production of Al-Zr master alloy by electrolysis of the KF-NaF-AlF3-ZrO2 melt: modifying ability of the master alloy // Metallurgical and Materials Transactions B. 2021. 52. № 6. P. 4206–4214.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Schematic diagram of an electrolyzer for electrolysis tests: 1 – molybdenum cathode; 2 – current lead to the cathode; 3 – graphite anode; 4 – current lead to the anode; 5 – melt; 6 – alundum crucible; 7 – quartz tube; 8 – thermocouple.

Download (151KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Cathode region of voltammograms obtained on glassy carbon in KF-AlF3-(0.5 wt.%)Al2O3 melts with different ZrO2 contents at a temperature of 750°C and a potential scan rate of 0.3 V/s.

Download (159KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Cathode region of voltammograms obtained on tungsten in KF-AlF3-(0.5 wt.%)Al2O3 melts with different ZrO2 contents at a temperature of 750°C and a potential scan rate of 0.3 V/s.

Download (162KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Molybdenum cathode with sediment and graphite anode after potentiostatic electrolysis at a cathode potential of 1.6 V.

Download (246KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Diffraction pattern of the cathode deposit from a molybdenum cathode after electrolysis of the KF-AlF3-Al2O3-ZrO2 melt at a cathode potential of -1.6 V.

Download (82KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Micrograph of a cross-section of a graphite cathode after electrolysis at a potential of –1.6 V.

Download (192KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Diffraction pattern of the cathode deposit on a graphite cathode after potentiostatic electrolysis of the KF-AlF3-Al2O3-ZrO2 melt at a cathode potential of 1.6 V.

Download (76KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».