陳凱恩

【摘 要】本文詳細(xì)地介紹了近年來國內(nèi)外關(guān)于電解鋁和新型電極材料的研究，并進(jìn)一步對其將來的發(fā)展前景作出了相應(yīng)的展望，希望能夠為今后的相關(guān)研究提供一些有價值的參考建議。

【關(guān)鍵詞】電解鋁；電極材料；惰性陽極；研究方向

引言

鋁在地殼中的含量是所有元素中第三高的，僅次于氧元素和硅元素，同時也是地殼含量最高的金屬元素。鋁多為銀白色的輕金屬，具有良好的延展性和可加工性，因而經(jīng)常被制成片狀、箔狀、帶狀、棒狀等商業(yè)成品或半成品。此外，鋁還具有良好的熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及較強(qiáng)的耐腐蝕性特征，被廣泛應(yīng)用于電氣、運輸、航天等高新技術(shù)領(lǐng)域。自十八世紀(jì)八十年代末確立了煉鋁方法之后，電解鋁工業(yè)無論是在設(shè)備技術(shù)上，還是工藝制造上均取得了巨大的進(jìn)步。然而，在鋁電解過程中使用的傳統(tǒng)的碳素陽極材料，不僅會生成大量的污染性氣體，生產(chǎn)成本也不低廉。新時期背景下，為響應(yīng)綠色環(huán)?；瘜W(xué)理念，各國學(xué)者都紛紛加大對電解鋁工業(yè)可替代新型電極材料的研究力度，旨在研發(fā)出一種能夠取代消耗式碳素陽極的新型材料，以達(dá)到提高生產(chǎn)效率，降低成本能耗的目的，從而有效促進(jìn)我國節(jié)約型經(jīng)濟(jì)社會的建設(shè)與發(fā)展。

一、國內(nèi)外關(guān)于新型惰性陽極材料的研究

（一）國外研究成果

早在上世紀(jì)五十年代，國外便已有學(xué)者開始關(guān)注電解鋁惰性陽極材料問題的研究，他們通過研究發(fā)現(xiàn)，新材料只需滿足能夠承受一千攝氏度以上高溫環(huán)境下熔融氟化物的滲蝕以及優(yōu)良的抗熱震性和導(dǎo)電性這兩個要求，便可取代傳統(tǒng)電解鋁工藝中所使用的碳素陽極材料。然而由于當(dāng)時的技術(shù)條件有限，研究工作幾經(jīng)波折，一直未取得實質(zhì)性的進(jìn)展，也沒有尋找到可行的替代材料。一直到近年來，隨著材料科學(xué)這門課程的不斷發(fā)展，各國才開始重新關(guān)注起電解鋁工業(yè)電極材料的研發(fā)工作，美國、德國、日本等國家紛紛投入了大量財力、物力和人力資源用以研究惰性陽極材料的開發(fā)，對陶瓷、氧化物、復(fù)合材料等新型材料進(jìn)行了綜合全面的選材研究。據(jù)美國學(xué)者的初步估算，如果全面使用惰性陽極材料來替代傳統(tǒng)的消耗性碳素陽極，不僅每年可以減少約700萬噸溫室氣體的排放，還能為企業(yè)提高5%的電解鋁產(chǎn)能，同時降低10%的生產(chǎn)成本，節(jié)約30%的能耗，可見，該項研究對于電解鋁工業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展而言具有十分重大的意義。鑒于實踐研究難度較大，目前國外關(guān)于鋁電解陽極材料的研究尚停留在試驗階段，盡管沒有能夠取得實質(zhì)性的應(yīng)用發(fā)展，但憑借其低污染、低消耗、高效能等諸多優(yōu)勢，對現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展依然具有很大的研究價值，值得我們予以高度的重視。

（二）國內(nèi)研究成果

我國自改革開放以來，在大力發(fā)展社會經(jīng)濟(jì)的同時，也緊跟國際科學(xué)研究的步伐，高度重視鋁電解新型電極材料的研究問題。上世紀(jì)八十年代，由東北大學(xué)、鄭州輕金屬研究學(xué)院、中南大學(xué)等為主導(dǎo)的各大院校和社會企業(yè)共同參與了為其數(shù)年的惰性陽極材料研究，至今主要取得了以下幾個方面的研究進(jìn)展：

一是，SnO基電極的導(dǎo)電特性。研究人員通過量子化學(xué)計算法計算得出了SnO基電極在被摻雜后化學(xué)鍵所發(fā)生的特征變化，從而對新添加劑會對電極導(dǎo)電性產(chǎn)生的影響進(jìn)行了科學(xué)的預(yù)測。同時，研究人員還對SnO基電極添加了各種稀土氧化物，分析了基電極導(dǎo)電率的變化情況，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，CeO、GdO、SbO、CoO、MnO等物質(zhì)能夠明顯提高SnO基電極的導(dǎo)電率。

二是，SnO基惰性陽極的腐蝕性。研究人員們將SnO電極置于一千攝氏度左右的熔體中，觀察其腐蝕行為，研究發(fā)現(xiàn)，若電解質(zhì)中的含氧離子減少，則電極腐蝕現(xiàn)象明顯，若電解質(zhì)出現(xiàn)晶界腐蝕，將會徹底毀壞SnO基電極，而通過添加CeO等物質(zhì)則能夠有效降低基電極的腐蝕速度。

三是，雙極性電極和多室電解槽。通過多次的科學(xué)設(shè)想和試驗探究，國內(nèi)學(xué)者們成功地研發(fā)出了三種雙極性電極，其中以NiO-NiFeO、TiB/Cu粉（A%）+Fe粉（B%）這兩種類型的電極效果最為突出，其過渡層使用的是熱壓組合燒結(jié)處理工藝，不僅強(qiáng)度大，粘結(jié)效果也十分好。

二、關(guān)于電解鋁新型電極材料的研究前景與展望

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批先進(jìn)的產(chǎn)品技術(shù)，這些科研成果給人們的日常生活帶來了巨大的便利，與此同時，人們的環(huán)境保護(hù)意識也日益強(qiáng)烈，對生活環(huán)境質(zhì)量提出的要求也越來越高。因此，當(dāng)今社會形勢背景下如何采取有效的措施控制電解鋁工業(yè)在生產(chǎn)過程中陽極材料消耗產(chǎn)生的污染排放是目前我們亟需解決的問題之一。由于現(xiàn)階段已有的研究成果中關(guān)于技術(shù)改良和成本降低等關(guān)鍵性問題的研究尚未取得明顯的進(jìn)展，所以就現(xiàn)階段而言，社會上關(guān)于電解鋁新型電極材料的研究主要持兩種觀點，一種是支持觀點，另一種則是懷疑態(tài)度，這部分人認(rèn)為惰性陽極材料研究既費時又不能明顯降低成本，實際研究應(yīng)用價值不大。事實上，我們在評價電解鋁新型電極材料的研究前景時，不應(yīng)當(dāng)僅僅從成本和技術(shù)這兩方面的狹窄視角出發(fā)，而是要聯(lián)系社會大環(huán)境背景，充分考慮建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的實際需求。與此同時，我們還應(yīng)當(dāng)從客觀角度來進(jìn)行全面的洞察、分析，非消耗性或低消耗的惰性陽極新材料取代傳統(tǒng)的碳素陽極材料是社會時代發(fā)展的必然要求，而相關(guān)研究則有著十分廣闊的應(yīng)用前景，我們應(yīng)當(dāng)予以充分的肯定和支持。

三、結(jié)語

綜上所述，目前國內(nèi)外關(guān)于電解鋁與新型電極材料的理論研究已逐漸趨于成熟，但距離將其完全投入工業(yè)化生產(chǎn)還需經(jīng)過一段時間的實踐探究，隨著各個領(lǐng)域?qū)ο嚓P(guān)研究的重視程度不斷加大，相信在不久后的將來，電解鋁工業(yè)技術(shù)必定會取得突破性的創(chuàng)新發(fā)展。

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