ガス電極と電池反応を利用した省エネルギー型希土類金属リサイクルプロセスの開発

2020 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 18K11711
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 小西 宏和 大阪大学, 工学研究科, 助教 (60379120)
• 研究期間 (年度): 2018-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 溶融塩 / 希土類金属 / ガス電極 / リサイクル

研究実績の概要

酸化リチウムを0.50 mol%添加した723 Kの溶融LiCl-KCl中において、カソードには多孔質Niの酸素ガス電極、アノードにはNd磁石電極を配置し、両極間に0.515 Ωの抵抗器を接続して電池反応を確認した。反応中の各電極の電位と、二極間発生した電流を測定した。初めの1分間はカソードとアノードを接続しなかったため、カソードでは2.20 V(vs. Li+/Li)、アノードでは1.09 Vと酸素の還元反応と希土類元素の酸化反応の平衡電位を示した。測定1分後に二極間を接続すると、49.94 mAの電流が流れ、カソードは1.48 V、アノードは1.41 Vに分極した。このことは、酸素ガス電極とNd磁石電極で電池を形成し、希土類元素の酸化反応と酸素の還元反応が生じたことを示した。その後、電流値は低下し続け、電極電位は共に貴な方向に遷移した。このことは、Nd磁石表面の希土類元素が消費されたため、希土類元素の酸化反応が減少とともに、酸素の還元反応も低下したためである。測定30分後から70分後まで一旦定常状態となり、電流値は平均20.01 mA、電位はカソード2.02 V、アノードは2.00 Vとなった。アノードの電位は、鉄の酸化還元反応の平衡電位であることがわかった。測定70分後に電流値は増加し始め、電位はカソード、アノード共に卑に遷移し始めた。これはNd磁石表面に亀裂によって磁石内部の希土類金属が溶融塩と接触したためであり、再び希土類金属の酸化反応が生じたことが示唆された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年度は、実験温度450℃、ネオジム磁石をアノード電極、酸素ガス電極をカソード電極に設置して、酸素ガスを溶融塩中に導入し、その際の電極間の電流・電圧を初めて測定することができた。さらに、実際に電池を組んだ際の、電流と電位の関係を明らかにした。その際、選択的に溶出する希土類イオンNd(III)、Dy(III)、Pr(III)については浴中の濃度をICPによって分析して確認した。おおむね順調に進展しているが、酸素ガス電極を塩素ガス電極へ取り換えて、希土類元素の分離・回収の実験を行うことができなかった。

今後の研究の推進方策

今後は、今年度に引き続き、ネオジム磁石をアノード電極、酸素ガス電極をカソード電極に設置して、酸素ガスを溶融塩中に導入し、その際の電極間の電流・電圧を詳細に測定する。さらに、実際に電池を組んだ際の、電流と電位の関係を見出す。その際、選択的に溶出する希土類イオンNd(III)、Dy(III)、Pr(III)については浴中の濃度をICPによって分析して確認する。最後に、酸素ガス電極を塩素ガス電極へ取り換え、希土類元素の分離・回収を展開していく予定である。

次年度使用額が生じた理由

令和２年度はコロナウイルスの影響で実験が少し遅れたため、期間全体での消耗品の購入が少なくなった。今年度は主に試薬、電極材、反応管などの消耗品の費用として財源を使用する予定である。