熔盐电解法制备镁铝合金

镁及其合金因比强度高、生物相容性好等优点，在汽车、航空航天、生物医用等领域有着广泛的应用。铝是镁合金中常用合金元素，可以提高镁合金的强度。Mg-Al系合金是目前应用量最大的商用镁合金，具有良好的力学性能、铸造性能和加工性能。传统的镁铝合金制备工艺原理简单，通常是在含SF6的气体保护下将铝加入熔融镁中，获得镁铝合金，这种方法在工业上应用广泛。但是该工艺生产过程中，废品率高导致成本上升，并且SF6造成严重的温室效应。熔盐电解是一种有潜力的制备合金方法，它可以大大减少合金的氧化，降低制备成本，为制备Mg-Al合金提供了一种新途径。

最近，郑州大学宋建勋教授课题组采用熔盐电解法制备了Mg-Al合金，研究了镁离子和铝离子在熔融LiCl-KCl中钼电极上的电化学还原机理，揭示了电解电位对Mg-Al合金中Al含量的影响。基于镁离子和铝离子还原反应的可逆性，对它们的热力学性质进行了深入研究。Mg-Al合金作为一种最常见的工业镁合金，本研究可为其电化学制备提供理论依据和小规模制备经验。

本文系统研究了LiCl-KCl熔盐中镁离子和铝离子在钼电极上的电化学还原行为，结果如图1所示。在熔盐中，镁离子和铝离子分别呈现出一步转移两个电子和一步转移三个电子的还原过程。Mg2+和Al3+的还原是受传质速率控制的可逆过程，当Mg2+和Al3+在LiCl-KCl熔盐中共存时，它们对彼此的还原行为没有显著影响。通过开路电位法得到该体系中Mg2+/Mg和Al3+/Al的平衡电位，进一步计算得到表观电位和表观吉布斯自由能分别为-2.517 V、-485.71 kJ/mol和-1.661V和-480.78 kJ/mol。

图1 镁离子和铝离子在LiCl-KCl熔盐中的电化学行为

最后在973 K 的LiCl-KCl-MgCl2-AlCl3 (200g-50g-25g-2.5g)熔盐进行恒电位电解，阴极产物微观形貌及成分如图2所示。当在-2.2 V下的点位电解时，由于Mg的沉积电位低于-2.2 V，产物几乎都是Al，只有微量的金属Mg；当电位负移至-2.9 V时，Mg开始析出，同时Al也在阴极沉积，由于熔盐中镁离子浓度远高于铝离子，产物中镁含量剧增，达到96.77%。继续增加电位至-3.0 V，镁的沉积速率继续增加，其增长幅度大于铝，导致阴极产物中Mg含量继续增加，Al含量减少，此时镁含量为99.45%。

图2扫描电镜和能谱分析：(a)电位-2.2 V；(b)电位-2.9 V；(c)电位为-3.0 V

综上所述，本文通过一系列暂态电化学测试技术系统研究了镁离子和铝离子在熔融LiCl-KCl中的电化学还原机理，揭示了外加电位对Mg-Al合金中Al含量的影响趋势以及分布情况。本研究采用熔盐电解法成功制备了不同铝含量的Mg-Al合金，可以为熔盐电化学制备Mg-Al合金提供理论依据。