2020 Fiscal Year Annual Research Report
Innovative production process of Ti and Si by electrolysis in molten CaCl2 at high temperature
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18H01763
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| Research Institution | Kansai University |
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Principal Investigator |
竹中 俊英 関西大学, 化学生命工学部, 教授 (60197324)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
森重 大樹 関西大学, 化学生命工学部, 准教授 (30530076)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | チタン / シリコン / アルミニウム / ランタン / 溶融塩電解 / 塩化カルシウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
2019年度までの研究成果から，TiO2とCaOを添加した溶融CaCl2中での金属Tiの電析が可能な条件は限定され，効率的な電析が難しい原因として，いわゆるシャトル反応の影響が大きいことが示唆された．2020年度は，酸塩化物を形成しやすいことが知られている希土類元素のうちLaを用いた検討を行った．1100℃の溶融CaCl2中にLa2O3のみを添加した場合には還元電流の増加はほとんど見られなかった．La2O3とCaOを同時添加した場合，還元電流の増加が見られたが，電流増加はSiやAlに比べて非常に小さく，Tiに比べてもかなり小さかった．これらの結果から，Laであっても酸塩化物としての溶解度は非常に小さいと考えられた．2019年度までの研究成果を考え合わせると，TiO2とCaOを添加した溶融CaCl2中で金属Tiの電析が困難であることは，いわゆるシャトル反応によるものと結論づけられる．
金属Siの電析に関しては，2020年度は1400℃の溶融CaCl2中に5mol%のCa2SiO4を添加した電解浴を用い，電解電位による影響について主に調べた．その結果，電析電位が卑なほど電流効率は向上する傾向が見られたが，卑にしすぎると突然悪化した．これはCa電析と競合するためであると考えられる．Siの融点以上の1450℃での電解も行ったが，2020年度には明瞭な電解電位依存性を見いだすには至らなかった．
2020年度は，溶融CaCl2中に添加するアルミン酸カルシウムの種類，すなわちCaO/Al2O3比と電解電位が金属Alの電析に及ぼす影響を詳しく検討し，最も良好な溶質はCa12Al14O33であり，電解電位は-1.8V（vs.Mo溶出電位）であることを明らかにした．Al電析では電析用電極の材質が大きな課題であることが明らかになり，Al-Mo合金電極を自製して検討を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
Ti電解に関して，酸塩化物形成による影響を明らかにするため，Laを用いた比較検討を計画通りに行った．その結果，酸塩化物の溶解度がかなり小さいことが示され，酸塩化物の影響が小さいことが示唆された．これまでの研究成果を考え合わせると，金属Tiの電析が困難な主な理由がいわゆるシャトル反応の影響であることを明らかにすることができた．2020年度には，シャトル反応を抑制する目的で，高濃度のTiO2を添加した電解浴を用いて高電流密度の電解を行う予定であった．しかし，コロナ禍により学生による実験が制約されたため，他の手検討項目を優先する必要が生じ，実施することができなかった．この内容については2021年度に実施することにした．
Si電解については，ほぼ計画通りの研究成果をあげることができた．金属Siの電析条件，特に電解電位の影響を詳しく検討し，効率的に金属Siが得られる電位範囲を明らかにした．金属Siの融点以上の温度で液体金属Siの直接電析についても検討を行い，金属Siを電析させることができた．まだ，液滴状の金属Siを得るには至っておらず，電極構造の見直し等が必要であることがわかった．
Al電解についても，ほぼ計画通りの研究成果をあげることができた．効率的に金属Alが得られるアルミン酸カルシウムの種類，すなわちCaO/Al2O3比，及び電解電位を明らかにすることができた．2019年度に明らかになった陰極材料の選定の問題については，種々の材料を比較検討した．その結果，自製したAl8Mo3合金が有用であることを明らかにした．
上記のように，2020年度は，コロナ禍の影響のため一部の研究を実施することができなかったが，概ね当初の研究計画通りの研究を遂行することができた．これまでの研究により，2021年度に検討すべき種々の検討項目を明らかにすることができた．
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究により，TiO2とCaOを添加した溶融CaCl2中で金属Tiの電析が困難なことは，シャトル反応による影響が主な理由であることが確かめられた．2021年度は，シャトル反応の抑制を目的とした検討を行う．具体的には，高TiO2濃度の電解浴を用い，高電流密度の電解を行う予定である．また，電析した金属Tiを電極にとどめるため液体合金電極の利用についても検討する．
金属Siの電析については，これまでの研究成果に基づき，より効率的な金属電析が可能な電解条件等の特定に向けた検討を行う．電析した金属Siの電極からの離脱を防止する観点からも金属Siを液体状態で電析させることは重要と考えており，電極構造の再検討を含め詳しく検討を行う．また，電析電位と電解浴中のCaO/SiO2比に関して，最適な条件を明らかにするための検討を行う．一連の検討により50%以上の電流効率の達成を目指す．
金属Alの電析については，これまで種々の陰極材料を用いて検討を行った結果，自製のAl8Mo3合金が最も良いことがわかった．2021年度はAl8Mo3合金の製作法を詳しく検討して，金属Alの電析により適する材料を作成して実験に用いる．また，これまでの研究ではTiやSiに関する研究を参考にして1100℃以上の温度で行ってきたが，金属Alの電析ではより低温での電解が望ましい．2021年度は1000℃での金属Alの電析を実現するため，CaO/Al2O3比の影響を含め，各種の電解条件の影響を詳しく検討する．
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Research Products
(4 results)
