分享：利用ZrO2 固体电解质研究Na3AlF6-SiO2 熔盐中的电沉积

高运明,1,2, 何林1,2, 秦庆伟1,2, 李光强1,2

高纯Si是现代信息、新能源和新材料产业中最基础的功能材料。但目前Si生产链的高污染和高纯硅生成的高成本限制了这些行业的快速发展。熔盐电沉积法制备Si因具有操作简单、工艺流程短、能耗低、环境污染小等优点而备受关注[1~3]。有关Si电沉积的工作大多在氟化物熔盐体系中进行[4~13],Na3AlF6体系由于其对自然界大量存在的SiO2有较高的溶解度以及在铝电解中的成功应用,成为人们期望的一种较为理想的制备Si的电解质体系[6,14]；而且,它还被作为制备Al-Si、Al-Zr等(中间)合金的介质[15~20]。但Na3AlF6体系腐蚀能力强,目前有关Na3AlF6熔盐中利用溶解的SiO2来电沉积Si[4~8]主要在石墨坩埚中采用石墨电极和准参比电极来进行,存在诸如C参与反应带来CO x 等气体排放、熔盐电子导电导致循环伏安曲线峰位不明显、有关金属沉积电位标准不一以及熔体成分的复杂性导致的电极反应机理不够深入等问题[4,5]。

ZrO2基固体电解质在高温下具有高氧离子电导、低电子电导的特性,且抗侵蚀能力强,由其构建的固体电解质电池在冶金工业和科学研究中已获得了广泛应用[21]。本工作拟用Y2O3部分稳定的ZrO2固体电解质(ZrO2-8%Y2O3,YSZ)管集成构建Pt,O2(air)|YSZ作为参比(RE)、辅助电极(CE)的三电极新型电化学池,采用循环伏安(CV)、恒电位电解等电化学测试技术,在完全无碳条件下研究1323 K下Na3AlF6基熔盐体系中包括多种金属析出电位在内的电沉积规律。这里YSZ管除作为电化学池容器外,还作为阴、阳极间的氧离子导电膜以及电子和不同极区的物理隔断膜,同时还可以构建Pt,O2(air)| YSZ RE。熔盐中某金属氧化物Mx O y 总的电解反应可表示为：

本工作的目的,一方面,为后续考察SiO2的电化学还原行为及Si (或合金)的电化学绿色制备技术奠定基础；另一方面,扩展Pt, O2(air)|YSZ RE在有关熔体电化学基础研究中的应用[22~26]。

1 实验方法

1.1 熔盐及电极制备

将分析纯试剂SiO2和Na3AlF6在DZ-2BCⅡ型真空干燥箱中,473 K下分别烘干12 h后,配制成95%Na3AlF6-5%SiO2 (质量分数,下同)的混合物,充分混匀后压制成块,并置于Pt坩埚内,然后在硅钼棒管式炉中升温至1373 K下保温熔化3 h。将Pt坩埚取出后倾倒熔盐于冰水上的不锈钢盘中急冷,得到Na3AlF6-SiO2预熔盐碎块,置于干燥器中备用。

YSZ管内、外径分别为8 mm、10 mm,长度100 mm。在YSZ管靠近封闭端的外表面先涂覆上宽度3 mm的环状Pt浆,然后间隔2 mm,再涂10 mm宽度的Pt浆,在1173 K、空气下烧制0.5 h后,即可获得相互分离而又集成在YSZ管外表面的多孔RE与CE (实验时分别与Pt丝引线相连)。工作电极(WE)选用直径0.5 mm的一截Ir丝(纯度99.95%,长度40 mm),实验前先用2000号砂纸打磨Ir丝表面,然后在盐酸中浸泡,最后在超声波中震荡清洗,吹干备用。实验时Ir丝与Pt丝引线相连,并外套刚玉细管保护,端部裸露20 mm左右作为WE。

1.2 实验方法

电化学池结构如图1所示。将质量约1.85 g的纯Na3AlF6试剂或Na3AlF6-SiO2预熔盐块装入YSZ管内。为密封与操作方便,将YSZ管与扩展刚玉管(内、外径分别为11 mm、15 mm,长度420 mm)通过高温水泥密封连接。通过扩展刚玉管将YSZ管垂直放入硅碳棒管式炉内恒温区。高温炉(S型热电偶控温)以5 K/min的速率升温,在673及923 K分别保温1 h,除去盐中的自由水和结合水,同时YSZ管内通入经硅胶干燥的流量为25 mL/min的高纯Ar气保护；YSZ管外(即炉内)通入200 mL/min的空气,形成稳定的氧分压气氛,构建Pt, O2(air)|YSZ RE。当温度升到1323 K后,恒温10 min,YSZ管内Ar气流量改为17 mL/min。预实验针对Na3AlF6-5%SiO2熔盐体系,进行了长达2 h的开路电位测试,期间开路电位基本稳定,如图2所示,且末期将参比极空气切换为高纯Ar气时,响应也很迅速,表明使用的Pt,O2(air)| YSZ RE工作正常。将电化学池装置的各电极联接到Ivium型电化学工作站,通过开路电位法确定熔盐液面,Ir丝工作电极在熔盐中插入深度7 mm (对应表观面积0.112 cm2),随后进行循环伏安或不同恒电位下的电解测试。测试完成后,电化学池装置(YSZ管内仍在Ar气保护下)随炉冷却到室温。切割YSZ管、制样,在Nova NanoSEM400场发射电子显微镜(SEM)下观察,并进行能谱(EDS)分析。

图1

图1   电化学池装置示意图

Fig.1   Schematic diagram of electrochemical cell device

图2

图2   1323 K温度下Na3AlF6-5%SiO2熔盐的开路电位随时间变化曲线

Fig.2   Curve of open circuit potential vs time for Na3AlF6-5%SiO2 melt at 1323 K (RE: Pt, O2(air)| YSZ)

2 结果与讨论

2.1 热力学分析

本工作所构建的新型电化学池利用了高温下具有唯一选择性氧离子导电性的YSZ管作为阴极与阳极的隔离膜。因此,一般情况下电化学池内只有含氧化合物(氧化物)在一定电位下才可以在阴极被电化学还原,同时在阳极放出O2；而其他非含氧化合物则不能还原。则有必要先明确Na3AlF6-SiO2熔盐中可能存在的含氧化合物。

氧化物在Na3AlF6熔盐体系中的溶解过程非常复杂[15]。1273 K时SiO2在Na3AlF6中的溶解度为5.9%[6],SiO2溶解于氟化物熔体后可能以[SiO4]4-、[SiOF3]-和[SiO3F]3-等多种复合离子形式存在[15,27]。Monnier等[14,28]及B?e等[29~32]在实验室和工业上的研究表明,Na3AlF6和SiO2之间可以发生如下反应[33]：

式中,ΔGΘ为标准态下反应的Gibbs自由能变化(如无特别说明,本工作中ΔGΘ均为1323 K的数据)。这里 式(3)的ΔGΘ > 0,但刘爱民等[34]认为此反应实际上可以发生,有关各产物可进一步形成Na2O·Al2O3·2SiO2等复杂化合物。Monnier和Barakat[28]发现1253 K温度下冰晶石基熔盐即使有SiF4(g)挥发,其1 h的理论挥发量对应的SiO2损失也仅为2.75%。Grjotheim等[31]和Weill等[35]都认为上述反应速率非常小,对熔体组成的影响甚至可忽略。Al2O3在Na3AlF6熔体中溶解后被认可存在的离子形式为[Al2OF6]2-和[Al2O2F4]2-等[15]。另外,本实验中YSZ管作为电化学池容器,熔盐中也可能存在来自于YSZ管中ZrO2的溶解以及稳定剂Y2O3的浸出。已有研究[19,36]表明,ZrO2在Na3AlF6基熔盐中具有一定溶解度,大约在2%~5.5%范围。研究[15,20]还指出,在冰晶石基熔盐中ZrO2的溶解是其中O2-被自由F-部分取代后形成诸如[ZrO2F2]2-、[Zr2O4F2]2-和[Zr2O2F6]2-等的Z-O-F复合离子结构的过程。所以,在Na3AlF6-SiO2熔盐中可能存在与Si4+、Al3+、Na+、Zr4+和Y3+等相关的复杂含氧化合物。

在Na3AlF6基熔盐中,氧化物与含氧化合物之间存在某种反应平衡[15]。基于Na3AlF6基熔体中电解Al2O3制备Al的成功,为简单起见,本研究体系中涉及的组元均认为以简单氧化物形式电解,如SiO2、Y2O3、ZrO2、Na2O、Al2O3和Fe2O3等,可理论计算其在标准态下的分解电压,并结合所选的参比电极确定这些氧化物的还原电位,为分析有关电化学还原结果提供理论依据。

这里构建的Pt, O2(air)|YSZ RE实质上是O2-/O2电对(氧分压21 kPa),不同于以前研究中常用的准参比电极。表1[33]为本体系中可能涉及氧化物的化学反应式及利用FactSage软件获得的热力学数据,其中EΘ为标准态下氧化物的分解电压(氧分压100 kPa),E为相对Pt, O2(air)|YSZ RE的氧化物的还原电位。如无特别说明,本文中电位E均指相对Pt, O2(air)|YSZ RE的还原电位。可见,标准态下各氧化物还原难易程度按照铁氧化物、Na2O、SiO2、Al2O3(ZrO2)和Y2O3依次变难。其中,Al2O3和ZrO2的还原电位几乎相同。

表1   相关氧化物的化学反应式以及1323 K温度下的标准Gibbs能(ΔGΘ)和电位等数据[33]

Table 1  Chemical reactions involving oxides and standard Gibbs energy (ΔGΘ) and potential data at 1323 K[33]

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2.2 纯Na3AlF6 熔盐

2.2.1 CV检测及恒电位电解

图3示出了扫速为30 mV/s的纯Na3AlF6熔盐在Ir工作电极上的CV曲线。可见,在扫描电位范围内,纯Na3AlF6熔盐的CV曲线上只出现了一对明显的还原/氧化峰(C*/A*)。还原峰C*的峰电流明显大于氧化峰A*的,说明C*峰对应的析出物具有溶解特性。对纯Na3AlF6熔盐来说,理论上不含氧化物,但本工作中YSZ管作为电化学池容器,可能会导致少量ZrO2溶解于Na3AlF6中。由表1[33]可知,ZrO2的还原电位E = -2.13 V,与C*峰的起峰电位很相近,推测还原峰C*对应ZrO2的还原。另外,正方向扫描曲线上除了C*对应的氧化峰A*外,还出现了多个小氧化峰,推测其为Ir电极上杂质的氧化。为证实C*与ZrO2的还原有关,依据CV曲线(图3),对纯Na3AlF6熔盐于-2.2 V电位下电解约30 min,其电流曲线如图4所示。较大的电流表明电解时有沉积物析出。

图3

图3   Na3AlF6-SiO2熔盐在Ir电极的循环伏安曲线

Fig.3   Cyclic voltammetry (CV) curves of Na3AlF6-SiO2 melt on the Ir WE at the scan rate of 30 mV/s (RE: Pt, O2(air)|YSZ)

图4

图4   Na3AlF6-SiO2熔盐恒电位电解时电流随时间变化

Fig.4   Curves of current vs time during potentiostatic electrolysis for Na3AlF6-SiO2 melt (RE: Pt, O2(air)|YSZ)

2.2.2 显微观察

图5是纯Na3AlF6熔盐在-2.2 V电解、凝固后各部位的SEM像,表2是与图5中点对应的EDS分析结果。表2中Au由样品喷金操作带入,其能谱峰位M α1 = 2.123 keV；Zr的峰位L α1 = 2.042 keV,Ir的峰位M α1 = 1.980 keV,3个峰位相近。为减少Au对Ir和Zr的影响,本工作选择在部分EDS分析中保留Au元素的检测结果。

图5

图5   纯Na3AlF6熔盐在-2.2 V电解后电极横断面及其附近和YSZ管底部沉积物的SEM像

Fig.5   SEM images of cross section (a1) of the Ir electrode and local magnification (a2), sediment particles (b1) at the bottom of YSZ tube and local magnification (b2) after electrolysis for pure Na3AlF6 melt at -2.2 V

表2   对应于图5中各点位的EDS结果

Table 2  EDS results corresponding to the points in Fig.5

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由表2可知,图5a2中电极Ir丝断面的点4、5含有Zr,表明熔盐在-2.2 V下电解已沉积出金属Zr；电极Ir丝断面在不同位置Zr含量不同,表明Zr与Ir形成了Ir-Zr合金；同时也证明还原峰C*对应金属Zr的生成。图5a1中Ir丝附近位置点1、3是ZrO2,图5b1中发现熔盐中也有许多ZrO2颗粒沉淀在ZrO2管底部。ZrO2来自于受到冰晶石熔盐侵蚀的YSZ管基体。固体ZrO2的密度约为6.09 g/cm3,而在1273 K左右下的冰晶石系熔盐的密度约为2.19 g/cm3 [20]。因此,剥落而未溶解的ZrO2颗粒可以沉入YSZ管底部。

另外,图5a1电极Ir丝周围的点1、3与2的Zr的氧化物O含量有所不同,推测可能是剥落的ZrO2颗粒部分还原造成的。实验后发现YSZ管在降温冷却中会产生一些细小裂纹(没有熔盐泄漏),但由于YSZ管内始终通有Ar气保护,管外的空气没有渗透进来,后文将进一步说明Ir丝周围以及YSZ管底部沉淀的ZrO2颗粒并非还原的Zr再氧化形成的。

侯红军等[37]发现人造冰晶石一般是由Na3AlF6、Na5Al3F14、NaF和AlF3等组成的混合物。热力学计算表明,标准态下Al2O3可由YSZ的稳定剂Y2O3受到熔盐化学侵蚀而生成[33]：

但电解后在电极Ir丝周围并没有发现Al或Al2O3,推测Al2O3生成量很小或由于动力学因素导致Al2O3的生成及扩散很慢,以致在CV曲线上没有检测到Al2O3的还原峰。

2.3 Na3AlF6-5%SiO2 熔盐

2.3.1 CV及恒电位电解

除纯Na3AlF6熔盐外,图3中也给出了Na3AlF6-SiO2熔盐的CV曲线。可见,含5%SiO2的冰晶石熔盐中出现了5对还原/氧化峰,分别是C1/A1、C2/A2、C3/A3、C4/A4和C5/A5。其中的C5还原峰电位与C*峰的相近,其对应的反应也应该是金属Zr的生成；而C1、C2和C3各峰的起峰电位分别约为-1.3、-1.5和-1.8 V。本实验条件下只有氧化物才能还原,推测熔盐中除ZrO2、SiO2外,还存在其他金属的氧化物。

为鉴别各还原峰对应的反应,依据CV曲线,对Na3AlF6-SiO2熔盐分别在-1.4、-1.6、-1.8和-2.0 V恒电位下电解,其电流随时间变化曲线也在图4中给出。可见,Na3AlF6-5%SiO2熔盐的电解电流随着电位的负向增加,电流也负向递增。-1.4 V下的电解电流负向较小,仅有-5 mA左右；-1.6 V下电流稍有负向增加,初期电流在-8 mA附近,后面下降为-6 mA左右；但-1.8 V下电流明显负向增大,达到-20 mA左右；-2.0 V下电流甚至达到-65 mA以上。纯Na3AlF6熔盐在-2.2 V下的电解电流(约-60 mA)比含SiO2熔盐在-1.8 V下的电流还大,而比在-2.0 V下的电流小,显示含SiO2的熔盐与纯Na3AlF6熔盐的电解机理不同。

2.3.2 显微组织

图6是Na3AlF6-5%SiO2熔盐在不同电位下电解后电极Ir丝断面的SEM像及线扫描结果。表3是与图6中各点位对应的EDS结果。下面结合显微组织观察和热力学理论计算,分析图3中CV曲线上各还原峰对应的反应。

图6

图6   Na3AlF6-5%SiO2熔盐在不同电位电解后电极Ir丝断面的SEM像及线扫描结果

Fig.6   SEM images and scanline results of the Ir electrode section after electrolysis for Na3AlF6-5%SiO2 melt at constant potentials of -1.4 V (a), -1.6 V (b), -1.8 V (c), and -2.0 V (d)

表3   对应于图6中各点位的EDS结果

Table 3  EDS results corresponding to the points in Fig.6

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(1) -1.4 V恒电位电解

-1.4 V电解后,由表3可见,图6a中的点1对应ZrO2相,这可能是电极直接吸附的未溶解的ZrO2颗粒。图6a中的点1还含有少量Fe,而点3是Fe-Si-Ir合金,Fe与Ir形成合金可导致Ir电极表面疏松多孔[25]。Fe氧化物可能由Na3AlF6-SiO2预熔后冷却时不锈钢盘带入且在盐中分布不均匀,其还原电位一般不到-1.0 V (参见表1)。从图3中熔盐的CV曲线可看出0~-1.3 V内并没有还原峰,而且后续其他电位下的电解也未见有Fe析出,因此这里不考虑作为偶尔杂质的铁氧化物的还原。图6a中点3的Si由电沉积产生。由图3知,当扫描到-1.3 V后开始出现C1峰,而-1.4 V电位下电沉积曲线(图4)中的电流很小,与CV曲线(图3)中C1峰的电流基本对应,表明在该电位下SiO2可以还原到Si；其还原电位比理论上形成单质Si的正,归因于产物Si与Ir的合金化作用。因此,图3中C1峰(起峰电位-1.3 V)对应Si的还原合金化,而A1峰对应其再氧化。

(2) -1.6 V恒电位电解

-1.6 V电解后,在图6b中Ir丝断面可发现2个3~5 μm的沉积层,外层较疏松,而内层较致密,且每层都只含Si和Ir元素。线扫描(图6b)发现在电极固溶合金层的外表面还附着有一单质Si颗粒层(厚约5 μm,单质Si层中间部分的C和O元素来自镶样浇注的树脂,2者扫描线基本重合),说明在-1.6 V下经电沉积不仅可以得到Si-Ir合金,也可得到单质Si,不同于Sokhanvaran等[4,5]认为的Si(IV)的还原是Si(IV)→Si(II)→Si分步进行的结论。因此,CV曲线(图3)上的C2峰(峰电位-1.65 V)对应单质Si的还原,而A2峰对应其再氧化。固态单质Si可以粉末颗粒或枝晶形式存在于电极周围,但结合力弱,本实验发现在电极Ir丝上附着的单质Si并不多,可能与超声波清洗而震掉部分Si有关。另外,线扫描(图6b)还表明Ir丝电极表面内、外沉积层内Si元素随位置变化规律正好相反,原因有待进一步分析。

(3) -1.8 V恒电位电解

-1.8 V电解后,通过图6c中的线扫描,发现Ir丝表面的沉积层内也只含Si和Ir元素,且含量不固定,表明沉积的Si与电极Ir也形成了固溶合金,但其Si含量高于-1.6 V电解后的沉积层,这与-1.8 V下的电流明显比-1.6 V下的大有关(参见图4)。电流负向越大,还原产物越多。图6c中的点7是Si-Zr合金,没有发现Al的沉积,该问题将稍后讨论。

(4) -2.0 V恒电位电解

-2.0 V电解后,在图6d的Ir丝断面沉积层也可发现内、外2层。内层是由沉积的Si、Al与Ir形成的合金(图6d中的点9、11),而外层是由Si、Al、Zr与Ir形成的复杂合金(图6d中的点8、10),表明Al比Zr先沉积。热力学理论计算表明(表1),Al2O3和ZrO2的还原电位很接近,但这里Al比Zr先沉积,可能是由于熔盐中铝离子(团)更易于在Si-Ir合金上还原；随后锆离子(团)再在Al-Si-Ir合金上还原。由于合金化作用,Al、Zr的沉积电位相对表1中的理论计算值均有明显正移。点位EDS分析表明(参见表3),Zr只在沉积外层存在,因此,Al的沉积电位应位于Zr与Si的沉积电位之间。这里沉积的Zr应主要来源于溶解的ZrO2的还原。

沉积层中Al的含量较少,可能原因有三：一个是熔盐中存在的Al2O3可能来自于SiO2或YSZ管中Y2O3与熔盐的化学反应(式(2)及式(4)~(6)),其含量较低,还原出来的Al量自然较少；另一个原因是还原出来的液态Al除与电极形成合金外,还可溶解于冰晶石熔盐；三是由于电极附近液态Al与熔盐中的SiO2发生置换反应,使得电极上的Al被消耗(式(7)[33]),但Al不能还原ZrO2 (式(8)[63])。这与Al沉积电位位于Zr与Si沉积电位之间是一致的。

需要指出的是,由于Zr与电极Ir的EDS接近,它们的谱线在线扫描中相互干扰,因此,对于图6d的线扫描中Zr的分布,在电极Ir丝断面中的部分不应采用,在断面外的部分可采用,而Ir的分布正好相反。相对来说,点位EDS分析的结果准确度更高。

(5) 讨论

图7是在-1.4、-1.6、-1.8和-2.0 V下分别电解后Ir丝电极断面及周围熔盐的SEM像,表4为对应于图7中各点的EDS分析结果。可见,各恒电位电解后在Ir丝附近都有颗粒存在,-1.4和-1.6 V电位下主要是ZrO2颗粒,而-1.8和-2.0 V电位下主要是Si-Zr合金。由于Si-Zr合金中各点位Si和Zr原子比几乎相同,结合Si-Zr合金相图[38],可确认Si-Zr合金即为Zr5Si4(s)金属化合物。

图7

图7   不同电位电解后的Ir丝电极与熔盐界面附近的SEM像

Fig.7   SEM images of cross section of the Ir electrode vicinity after electrolysis of the melt at constant potentials of -1.4 V (a), -1.6 V (b), -1.8 V (c), and -2.0 V (d)

表4   对应于图7中各点位的EDS结果

Table 4  EDS results corresponding to the points in Fig.7

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注意到所有的Zr5Si4(s)都处于Ir电极周围的熔盐里,而不是在电极表面沉积层,说明Zr5Si4(s)是在恒电位电解后期形成的。结合-1.6 V电位下电解产物,可以断定在-1.8和-2.0 V电位下单质Si颗粒在Ir电极周围可先期生成。在-1.8 V或-2.0 V电位下电解过程中,当ZrO2颗粒或溶解的ZrO2与早已生成的单质Si接触时,单质Si可充当导电集流体,此时ZrO2颗粒或溶解的ZrO2在单质Si颗粒上能够电还原并与之合金化,生成Zr5Si4(s)颗粒：

另外,在Ir电极表面没有沉积单质Si的地方,Ir-Si-Al(-Zr)合金或Zr5Si4(s)合金充当导电集流体,ZrO2颗粒与溶解的SiO2也可通过下述反应共还原合金化：

依据表1数据,这里 式(9)和 式(10)在反应物处于标准态、生成物氧分压为21 kPa下可分别在-1.79和-1.75 V电位下进行。正是因为生成了Zr5Si4(s)金属化合物,导致ZrO2的还原电位显著正移。但外加-1.4和-1.6 V的电位仍未达到ZrO2的还原电位,不能还原ZrO2颗粒,而外加-1.8和-2.0 V电位下则可以生成Zr5Si4(s)金属化合物,这与实验观察一致。同时表明,在外加-1.4和-1.6 V电位电解条件下Na3AlF6-SiO2熔盐中电极Ir丝周围的ZrO2颗粒不是Zr再氧化形成的,而是来自于因侵蚀而剥落的ZrO2颗粒。图8为Zr和Zr5Si4的氧化反应标准Gibbs自由能与温度的关系曲线[33]。热力学计算表明,Zr与Zr5Si4(s)在降温过程中都能被空气氧化。然而,从图7c和d可见,恒电位电解时生成的Zr5Si4(s)并没有氧化,表明在降温过程中,即使YSZ管出现了裂纹,YSZ管外面的空气也并没有渗透进来氧化Zr5Si4(s)。基于此,考虑到Zr与Zr5Si4(s)的氧化都有相同的ZrO2产物,推测前面-2.2 V下纯Na3AlF6熔盐电解后在Ir丝周围以及YSZ管内底部发现的许多ZrO2颗粒也不是Zr再氧化形成的,而是来自因侵蚀而从YSZ管内壁上脱落的ZrO2颗粒。

图8

图8   Zr和Zr5Si4的氧化反应的标准Gibbs自由能ΔGΘ与温度T的关系

Fig.8   Standard Gibbs free energy ΔGΘ and temperature T of oxidation reactions for Zr and Zr5Si4

前已表明,C5峰对应金属Zr的生成,且Al的沉积电位介于Zr与Si的沉积电位之间。考虑到C3峰的起峰电位在-1.8 V,认为C3峰对应Al的沉积反应,而A3为其再氧化峰。此时,外加-1.8 V的恒电位刚达到C3峰的起峰电位(Ir-Si合金层作为电极),溶解的Al2O3浓度也较低,而且Al与Si不能生成如Zr5Si4这样的金属化合物[39],亦即Al2O3难以在早已生成的大量单质Si颗粒上电化学还原,导致Al不能被提前沉积合金化。这是外加-1.8 V电位下熔盐在单质Si上不沉积Al但可以生成Zr5Si4(s)颗粒的原因,这与表1中理论计算的Zr5Si4(s)的生成电位(-1.75~-1.79 V)比图3中Al沉积(-1.8 V)电位稍正也是一致的。

图3中C4还原峰(峰电位约-1.98 V)不很明显,且没有对应的氧化峰,表明该峰对应的反应是不可逆过程。观察外加-2.0 V电位电解后形成的沉积层(图6d),内层致密,外层表面有小突起及许多孔隙,推测外层表面形态与某沉积物挥发有关,且该沉积物析出电位应比内层沉积金属(如Si、Al等)的电位更负,比外层金属Zr的电位稍正或相近。也正是由于该沉积物的挥发,导致反向扫描时没有对应的再氧化峰。结合本熔盐体系,依据可能析出物的特性,可以断定,C4峰对应Na的析出反应(Na的沸点1156 K,低于本实验温度1323 K)。但理论计算表明Na的析出电位仅-1.07 V (参见表1),推测可能是熔盐中Na气(新相)在电极上析出存在较大的过电位,导致实际还原电位比Al更负。

熔盐对YSZ管的侵蚀,一般首先表现为固体ZrO2的直接溶解或稳定剂的浸出,然后导致ZrO2颗粒的脱落(YSZ管在冰晶石熔盐中的侵蚀机理研究将在另文中报告)。固态ZrO2颗粒必须与导电集流体接触才能还原(此时遵循FFC剑桥工艺中有关固态氧化物的直接电还原机理[40])。由于溶解的ZrO2比固体ZrO2颗粒能够更快更容易到达Ir丝电极,因而在实验初期的CV曲线(图3)上出现了溶解的ZrO2在Ir丝电极上的还原合金峰,而未能反映ZrO2颗粒在单质Si颗粒上生成Zr5Si4(s)的还原合金峰。但在-1.8或-2.0 V电位电解后期,在电场持续极化作用下,ZrO2(颗粒)能够在Ir丝(合金)电极周围还原并与固态Si合金化或与溶解的SiO2共还原合金化(式(9)和(10)),生成Zr5Si4(s)颗粒,如图6c和d所示。

综上所述,图3中C1峰对应Si的还原合金化,C2峰对应单质Si的一步还原反应,C3和C4峰分别对应Al和Na的析出,而C5和C*峰对应Zr的还原合金化。-1.6 V下电沉积不仅可以得到Si-Ir合金,也可得到单质Si颗粒；-1.8 V下发现除Si-Ir合金外,还有Zr5Si4(s)颗粒出现,且-2.0 V下沉积的Zr5Si4(s)更多；-2.0 V下的电解还有Al、Na、Zr的析出。随着电位负移,不仅导致沉积机理以及得到的合金成分变得复杂,而且合金中Si的沉积量相对减少。因此,电解电位越负,越不利于高纯度Si的沉积,Na3AlF6-5%SiO2熔盐体系在本实验条件下制备Si较合适的沉积电位是-1.7 V。

另外,相较以前的研究[4~7],本实验得到的溶解SiO2在CV曲线上的还原峰清晰可见,尽管冰晶石基熔盐对YSZ管有一定侵蚀(始终没有发现熔盐泄漏现象),但有关金属(或金属化合物)的析出电位仍与热力学计算较为吻合,有助于后续Si的电沉积行为的研究。因此,本工作构建的集成有Pt,O2(air)|YSZ RE的新型电化学池有望为开展Na3AlF6-SiO2熔盐中电沉积制备Si的基础研究提供一个新手段,当然在Na3AlF6基熔盐中如何降低YSZ管的侵蚀也是后续需要重点关注的一个问题。已有研究[41]指出,在含O的氟化物熔体中添加YF3等对熔体成分调质,可以抑制Y2O3的化学浸出,达到减轻或完全阻止熔体对YSZ管侵蚀的效果。

3 结论

(1) 基于构建集成有Pt, O2(air)|YSZ RE的电化学池的独特结构,获得了Na3AlF6-SiO2熔盐中还原峰位特征较明显的CV曲线。不同恒电位电解可析出Si、Al、Na(Zr)等金属(或合金),且相应金属沉积电位依次负向增大。有关金属(或金属化合物)的析出电位与热力学计算较为吻合,证明了Pt, O2(air)|YSZ RE用于Na3AlF6基熔盐中的可行性。

(2) Si在电极Ir丝上沉积合金化的起峰电位为-1.3 V,但也可一步沉积得到Si单质,其在CV曲线上的峰电位为-1.65 V,而形成Al、Na、Zr等合金的沉积电位负于-1.8 V。在-1.8或-2.0 V恒电位下还发现有Zr5Si4金属化合物颗粒生成,其形成电位在-1.7~-1.8 V之间。本实验条件下制备Si单质较合适的沉积电位是-1.7 V。

(3)沉积的Si、Al、Na金属主要来源于Na3AlF6-SiO2熔盐本身产生的含氧化合物,而Zr的沉积源于Na3AlF6熔盐对YSZ管的侵蚀产生的ZrO2；Zr5Si4颗粒来源于ZrO2在单质Si颗粒上的电化学还原或与溶解的SiO2的共还原合金化,后续应寻求在Na3AlF6基熔盐中能够减轻或完全阻止YSZ管侵蚀的措施或条件。