摘要
稀土金属的传统生产方式通常采用热还原法或熔盐电解法，存在温度高、操作复杂、工艺危险、环境污染、能耗高等问题。在室温下电解稀土金属，不仅可以减少污染，而且操作简便，可以有效解决稀土金属高温电解存在的问题。离子液体，又被称为低温熔盐、室温熔盐，为室温电沉积稀土金属提供了可能。然而，传统离子液体的高粘度和高生产成本等缺点限制了其在稀土电沉积方向的发展。 鉴于传统离子液体的缺点，本研究使用一种新型含锂溶剂化离子液体，具有合成容易、粘度小、生产成本低等优点，成功用于稀土金属钐及其合金的沉积，具体研究内容及成果如下： （1）证明了1,3-二甲基-2-咪唑啉酮（DMI）溶解硝酸锂形成的含锂溶剂化离子液体（[Li(DMI)n]+NO3–）属性，该电解质可以溶解SmCl3等无机盐，并通过电沉积获得稀土金属钐。通过紫外光谱、红外光谱和7Li核磁共振研究了DMI-LiNO3电解质体系的结构以及SmCl3在二元DMI-LiNO3电解质体系中的溶解机理。结果表明，含锂溶剂化离子液体阳离子为[Li(DMI)n]+和阴离子为NO3–。SmCl3在DMI中的溶解机理如下：SmCl3+nDMI→[Sm(DMI)n]3++3Cl–。LiNO3的加入可减少Sm(Ⅲ)的溶剂化数，利于金属钐的电沉积。 循环伏安技术研究了含锂溶剂化离子液体电沉积稀土金属钐的电极反应机理。钐在工作电极上的还原反应为两步，可表示为：Sm(Ⅲ)+e–→Sm(Ⅱ)，Sm(Ⅱ)+2e–→Sm(0)。通过在不同的阴极上施加–2.5V（vs.Ag）恒电压，沉积30分钟，获得了稀土金属钐镀层。用扫描电子显微镜观察了镀层的表面形貌，SEM显示沉积层为密集的球状颗粒。用X射线能谱仪研究了镀层的元素组成及价态信息，沉积层的元素组成主要为钐元素和其他的杂质，沉积物中钐元素主要为零价的钐金属单质和三价钐（氧化钐）。研究表明，在二元DMI-LiNO3电解质体系中，以氯化钐作为前驱体可以在室温下电沉积出稀土金属钐。 （2）在上述研究基础之上，开发了一种由二甲基乙酰胺（DMAC）和硝酸锂组成的新型含锂溶剂化离子液体（[Li(DMAC)n]+NO3–），拥有溶解盐性能更强特点。该电解质可以溶解SmCl3和CoCl3等无机盐，并通过电沉积获得稀土钐和钐钴合金。DMAC-LiNO3电解质对SmCl3的溶解度大于在DMI-LiNO3体系中的溶解度，有利于稀土钐的电沉积，且价格更低。 采用紫外可见光谱研究了DMAC-LiNO3电解质体系的结构和SmCl3在DMAC-LiNO3电解质体系中的溶解行为。结果表明，含锂溶剂化离子液体阳离子为[Li(DMAC)n]+和阴离子为NO3–。LiNO3的加入降低了Sm(Ⅲ)的溶剂化数，利于稀土金属钐的沉积。研究了钐钴合金在DMAC-LiNO3电解质体系中的沉积过程。采用恒电位法获得了钐钴合金镀层，并通过SEM、XPS等手段对镀层进行了表征。结果表明，室温下可以使用DMAC-LiNO3电解质体系进行钐钴合金的电沉积。
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