【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于电化学冶金，具体涉及一种基于激光热源无支持电解质电化学技术制备高纯度金属钽的方法。
技术介绍
1、钽是一种性能优异的难熔金属，其熔点为2996℃，广泛应用于能源、化工和航空等领域。目前国际上工业化生产金属钽的方法，主要包括氟钽酸钾钠还原法、氧化钽钠/镁还原法、电解法，enmr法等。
2、公开号为cn115305513a的专利报道了一种在氯化物-氟化物熔盐中电解制备金属钽的方法，钽金属在阴极室沉积，并在阳极室生成co、co2。公开号为cn100551589c的专利报道了一种以cacl2或含有cacl2的混盐为电解质，电解五氧化二钽制备金属钽粉的方法。无论是采用ffc法还是som法，电解五氧化二钽制备金属钽不仅存在高温熔盐挥发、腐蚀等问题，异质电解质还会严重影响产物纯度，还存在阳极氧化的难题。
技术实现思路
1、为解决现有电解法制备金属钽存在的不足，本专利技术一种基于激光热源无支持电解质电化学技术制备高纯度金属钽的方法采用激光熔化五氧化二钽，真空电解直接制备金属钽，巧妙地解决了高温电解阳极氧化的难题。
2、本申请是通过以下技术方案实现的：
3、一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，包括如下步骤：
4、(1)称取适量的ta2o5原料作为样品放入坩埚中，并将钨阳极和钽阴极分别置于样品的上部、底部；
5、(2)设定激光参数，在保护气氛条件下使用激光热源进行辐照预熔化处理，对样品进行预处理；
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7、(4)控制激光参数，开启激光辐照样品并开启电源开关，将步骤(2)所得的预处理样品熔化形成熔池同时施加电压进行电解；
8、(5)电解反应结束后，关闭电源开关，并将钨电极从坩埚中移除，向反应仓内通入惰性气体，并继续激光辐照样品一定时间，待样品冷却后取出，去除产物表面未反应的五氧化二钽，得到块体钽金属。
9、优选地，所述步骤(1)中坩埚为选用不与钽氧化物发生反应的材质，坩埚为经加工而成底部有孔洞的高温容器；所述坩埚为带内部循环水冷系统的紫铜坩埚、纯钨坩埚、铂金坩埚，保证在高温极端实验条件下的机械性能，耐蚀性能。
10、优选地，所述步骤(1)中的ta2o5原料为纯度高于99.9％的ta2o5粉末或经成型的ta2o5块状原料，在的ta2o5原料的上方插入阳极，通过坩埚上的孔洞在的ta2o5原料的下方插入阴极。
11、优选地，所述步骤(1)中的阳极、阴极是经加工而成的高温电极，该高温电极选用不与钽氧化物发生反应、机械强度高的材质，该高温电极通过坩埚底部的电极由氧化铝保护。
12、优选地，所述步骤(2)中设定激光参数是指通过控制激光焦距和工作距离，使得整个样品表面接收到激光辐照熔炼形成熔池，形成熔池后，在电极上施加大于2v的电压进行电化学脱氧，同时设定激光输出功率，控制样品表面处温度大于2100℃，使得五氧化二钽原料充分熔化，所述激光参数包括功率、焦距、工作距离。
13、优选地，所述步骤(2)中的保护气氛为选用氮气或氦气这类惰性气体，所述预处理是指通过激光将原料全部熔化成液相，冷却凝固后获得致密样品，预熔后样品的致密度极高，为之后的电解创造了良好的受热条件与传质条件。
14、优选地，所述步骤(3)中的反应仓体为可承受一定负压、具有激光入射窗口且具有电源接口的密闭仓体；所述启动真空系统为启动反应仓体真空系统的真空泵组，调节反应仓体压力至预定值，将腔体内总压控制在10-3～10-5pa范围；所述真空泵组是指由前级泵和分子泵串联，将反应仓体内气体抽出的装置，所述前级泵为机械泵、油泵，采用高真空度用来抑制钨电极的氧化腐蚀。
15、优选地，所述步骤(4)中控制激光参数是指通过控制激光焦距和工作距离，使得整个样品表面可以接收到激光辐照，同时设定激光输出功率，控制样品表面处激光功率密度在2.0～5.0kw/cm2，熔池温度控制在2100～2500℃，采用高温度用来抑制钨电极的氧化腐蚀。
16、优选地，所述步骤(4)中的熔化需要熔炼一定时间，具体是指样品接收激光辐照的时间，根据样品质量不同，熔炼时间控制在600s～900s，为电解提供充足的反应时间，所述步骤(4)中的电压是指电极间施加的电位，根据样品还原电位，电压控制在2～5v，使得产物与原料在高电压、长时间下还原完全。
17、优选地，步骤(5)中激光辐照样品是指通过激光将电解产物充分熔化，熔化时温度控制在2000℃以上，单次熔炼时间控制在30s～60s，使得产物与原料在高温、长时间下分离完全，步骤(5)中熔炼电解结束后取出上方阳极，在保护气氛下将所得电解产物在坩埚中激光熔炼提纯，进行多次激光熔炼提纯，次数一般在三次以上，待样品冷却至100℃以下分离原料与产物，提纯后得到高纯块体钽金属。
18、本专利技术的技术原理：一种基于激光热源无支持电解质电化学技术制备高纯度金属钽的方法采用激光熔化五氧化二钽，真空电解直接直接制备金属钽，本专利技术采用激光为热源，在真空条件下将五氧化二钽粉末或块状原料熔化形成稳定熔池，并通过电极对高温熔池施加电压；电解生成的金属钽，因其熔点高于熔池温度，且密度大于熔体密度，会直接富集于坩埚底部钽电极附近；副产物氧气在熔体上部的钨阳极附近析出。为了解决钨阳极高温氧化的难题，本专利技术采用激光直接辐照在熔体表面，使得钨电极附近温度高于氧化钨真空热分解温度，即利用氧化钨真空热分解反应抑制钨阳极氧化反应。本专利技术使用五氧化二钽为原料与电解质一步电解直接生产金属钽，不仅从源头上解决了其他方法需要添加还原剂或电解质等化学介质，引入杂质而影响产物纯度的问题；而且激光辐照阳极可以有效促进氧化钨真空热分解，抑制阳极氧化。
19、有益效果：本专利技术以激光作为热源，在低氧分压环境下，无需加入支持电解质，通过直接电脱氧制备块体金属钽，可以有效提高制备效率，具体表现在以下几个方面：
20、1、本专利技术无支持电解质，可以从源头上彻底杜绝杂质元素的引入，制备金属纯度高；
21、2、本专利技术在低氧分压环境下直接进行电解，工艺简单；
22、3、本专利技术生成产物为钽金属与氧气，没有碳的参与，绿色环保。
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1.一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(1)中坩埚为选用不与钽氧化物发生反应的材质，坩埚为经加工而成底部有孔洞的高温容器；所述坩埚为带内部循环水冷系统的紫铜坩埚、纯钨坩埚、铂金坩埚，保证在高温极端实验条件下的机械性能，耐蚀性能。
3.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的Ta2O5原料为纯度高于99.9％的Ta2O5粉末或经成型的Ta2O5块状原料，在的Ta2O5原料的上方插入阳极，通过坩埚上的孔洞在的Ta2O5原料的下方插入阴极。
4.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的阳极、阴极是经加工而成的高温电极，该高温电极选用不与钽氧化物发生反应、机械强度高的材质，该高温电极通过坩埚底部的电极由氧化铝保护。
5.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金
6.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的保护气氛为选用氮气或氦气这类惰性气体，所述预处理是指通过激光将原料全部熔化成液相，冷却凝固后获得致密样品，预熔后样品的致密度极高，为之后的电解创造了良好的受热条件与传质条件。
7.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的反应仓体为可承受一定负压、具有激光入射窗口且具有电源接口的密闭仓体；所述启动真空系统为启动反应仓体真空系统的真空泵组，调节反应仓体压力至预定值，将腔体内总压控制在10-3～10-5Pa范围；所述真空泵组是指由前级泵和分子泵串联，将反应仓体内气体抽出的装置，所述前级泵为机械泵、油泵，采用高真空度用来抑制钨电极的氧化腐蚀。
8.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(4)中控制激光参数是指通过控制激光焦距和工作距离，使得整个样品表面可以接收到激光辐照，同时设定激光输出功率，控制样品表面处激光功率密度在2.0～5.0kW/cm2，熔池温度控制在2100～2500℃，采用高温度用来抑制钨电极的氧化腐蚀。
9.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(4)中的熔化需要熔炼一定时间，具体是指样品接收激光辐照的时间，根据样品质量不同，熔炼时间控制在600s～900s，为电解提供充足的反应时间，所述步骤(4)中的电压是指电极间施加的电位，根据样品还原电位，电压控制在2～5V，使得产物与原料在高电压、长时间下还原完全。
10.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(5)中激光辐照样品是指通过激光将电解产物充分熔化，熔化时温度控制在2000℃以上，单次熔炼时间控制在30s～60s，使得产物与原料在高温、长时间下分离完全，步骤(5)中熔炼电解结束后取出上方阳极，在保护气氛下将所得电解产物在坩埚中激光熔炼提纯，进行多次激光熔炼提纯，次数一般在三次以上，待样品冷却至100℃以下分离原料与产物，提纯后得到高纯块体钽金属。
...【技术特征摘要】
1.一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(1)中坩埚为选用不与钽氧化物发生反应的材质，坩埚为经加工而成底部有孔洞的高温容器；所述坩埚为带内部循环水冷系统的紫铜坩埚、纯钨坩埚、铂金坩埚，保证在高温极端实验条件下的机械性能，耐蚀性能。
3.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的ta2o5原料为纯度高于99.9％的ta2o5粉末或经成型的ta2o5块状原料，在的ta2o5原料的上方插入阳极，通过坩埚上的孔洞在的ta2o5原料的下方插入阴极。
4.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(1)中的阳极、阴极是经加工而成的高温电极，该高温电极选用不与钽氧化物发生反应、机械强度高的材质，该高温电极通过坩埚底部的电极由氧化铝保护。
5.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(2)中设定激光参数是指通过控制激光焦距和工作距离，使得整个样品表面接收到激光辐照熔炼形成熔池，形成熔池后，在电极上施加大于2v的电压进行电化学脱氧，同时设定激光输出功率，控制样品表面处温度大于2100℃，使得五氧化二钽原料充分熔化，所述激光参数包括功率、焦距、工作距离。
6.根据权利要求1所述的一种激光热源真空电解五氧化二钽熔体制备金属钽的方法，其特征在于，所述步骤(2)中的保护气氛为选用氮气或氦气这类惰性气体，所述预处理是指通过激光将原料全部熔化成液相，冷却凝固后获得致密样品，预熔后样品的致密度极高，为之后的电解创造了良好的受热条件与传质条件。
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【专利技术属性】
技术研发人员：邹星礼，闫艺鸣，李光石，鲁雄刚，庞忠亚，孙晨藤，赵鹏飞，杨博皓，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：
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