Расплавы, 2020, № 2, стр. 208-220
Электрохимическое поведение редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве KCl–KF–K2TiF6 в присутствии катионов щелочноземельных металлов
Д. А. Ветрова a, *, С. А. Кузнецов a
a Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья
им. И.В. Тананаева Кольского научного центра РАН
Апатиты, Россия
* E-mail: d.vetrova@ksc.ru
Поступила в редакцию 29.11.2019
После доработки 08.12.2019
Принята к публикации 16.12.2019
Аннотация
Методом циклической вольтамперометрии определены стандартные константы скорости переноса заряда для редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве KCl–KF(10 мас. %)– K2TiF6. Рассчитана энергия активации процесса переноса заряда. Изучено влияние сильнополяризующих катионов Mg2+, Ca2+, Sr2+ и Ba2+ на кинетику переноса заряда в редокс паре Ti(IV)/Ti(III) при введении их в исходный расплав. Установлена прямолинейная зависимость констант скорости переноса заряда от ионного потенциала катионов щелочноземельных металлов.
ВВЕДЕНИЕ
Изучению электрохимического поведения титана в хлоридных и хлоридно-фторидных расплавах посвящены работы [1–9]. В исследованиях [1, 2] было показано, что процесс электровосстановления комплексов Ti(IV) до металла является двухстадийным:
В работах [1, 2] были определены коэффициенты диффузии комплексов Ti(IV) в расплаве эквимолярной смеси NaCl–KCl при различных температурах. Механизм и кинетика процессов электровосстановления и электроокисления ионов титана при введении K2TiF6 в расплав NaCl–KCl–NaF изучены в исследованиях [4–9]. В работах [8, 9] рассчитаны константы скорости переноса заряда редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве (NaCl–KCl)экв–NaF(10 мас. %)–K2TiF6 и определена энергия активации процесса переноса заряда.
Электрохимические исследования титана в расплаве KCl–KF крайне немногочисленны. Лишь в работах [3, 6, 7] было рассмотрено электрохимическое поведение титана в эвтектической смеси KCl–KF. Однако данные по коэффициентам диффузии комплексов титана и константам скорости переноса заряда редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве KCl–KF отсутствуют.
Целью данной работы являлось изучение кинетики переноса заряда редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве KCl–KF(10 мас. %)–K2TiF6, определение области квазиобратимости процесса (1) и расчет стандартных констант скорости переноса заряда (ks), а также установление влияния добавок катионов щелочноземельных металлов (Mg2+, Ca2+, Sr2+ и Ва2+) на константы скорости переноса заряда редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в указанном расплаве.
МЕТОДИКА
Исследования проводились в диапазоне температур 1073–1173 K методом циклической вольтамперометрии с помощью динамической электрохимической лаборатории “VoltaLab 40” (программное обеспечение “VoltaMaster 4” (версия 6)). Скорость развертки потенциала изменялась в пределах от 0.1 до 2.0 В ⋅ с–1. В качестве контейнера для расплава использовался тигель из стеклоуглерода марки СУ-2000, который одновременно являлся вспомогательным электродом. Вольтамперные кривые регистрировались на электроде из стеклоуглерода марки СУ-2000 диаметром 2.0 мм относительно стеклоуглеродного квази-электрода сравнения.
Хлорид калия квалификации “ч. д. а.” перекристаллизовывали, прокаливали в муфельной печи, затем помещали в кварцевую реторту. Реторту вакуумировали при комнатной температуре и ступенчатом нагревании до 873 K. Величина остаточного давления составляла 0.66 Па. Затем реторту заполняли аргоном и расплавляли электролит. Фторид калия (марки “ч”) очищали двойной перекристаллизацией из расплава. Соль сушили при температуре 673–773 K в вакууме, затем нагревали до температуры на 50 K выше температуры плавления, выдерживали в течение нескольких часов и затем медленно охлаждали со скоростью 3–4 град/ч до температуры на 50 K ниже точки плавления. После затвердевания соли переносили в перчаточный бокс с контролируемой атмосферой (содержание О2 и H2O ≤ 2 ppm) и в боксе механически удаляли загрязнения. Гексафторотитанат калия получали путем перекристаллизации из растворов плавиковой кислоты исходного продукта марки “ч”.
Хлорид бария марки “х. ч.” сушили в вакуумном шкафу при температуре 433 К в течение 24 ч. Фториды магния (“о. с. ч.”), бария (“ч. д. а.”) и кальция (“ч.”) использовались без дополнительной обработки.
Хлорид стронция марки “ч. д. а.” сушили в вакуумном шкафу при температуре 523 К в течение 12 ч. После этого соль перекладывали в стеклянные ампулы и помещали в герметичную реторту, которую вакуумировали при одновременном нагреве со скоростью 100 K/час до температуры 823 K.
Фоновый солевой электролит KCl–KF (10 мас. %) помещали в тигель из стеклоуглерода, загружали его в реторту, повторяли вышеописанные операции вакуумирования – плавления и вводили в расплав K2TiF6.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Типичные циклические вольтамперограммы для редокс пары Ti(IV)/Ti(III), полученные на стеклоуглеродном электроде при различных скоростях поляризации, представлены на рис. 1.
На рис. 2а представлена зависимость тока пика от корня квадратного из скорости поляризации. Отклонение экспериментальных точек от прямой, проходящей через начало координат, при скоростях поляризации больше 1.0 В ⋅ с–1 указывает на то, что процесс электровосстановления титана в расплаве KCl–KF(10 мас. %)–K2TiF6 при более высоких скоростях поляризации, вероятно, является квазиобратимым [10]. Это предположение подтверждается криволинейной зависимостью потенциала пика от логарифма скорости (рис. 2б), тогда как для необратимого процесса характерна линейная зависимость в данных координатах.
Коэффициенты диффузии комплексов Ti(IV) в расплаве KCl–KF (10 мас. %) были определены при v = 0.1 В ⋅ с–1 по уравнению Рэндлса–Шевчика [11]:
(3)
${{I}_{п}} = 0.4463{{F}^{{{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}{{R}^{{--{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}{{T}^{{--{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}{{n}^{{{3 \mathord{\left/ {\vphantom {3 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}AC{{D}^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}{{{v}}^{{{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 2}} \right. \kern-0em} 2}}}},$Величины коэффициентов диффузии Ti(IV), полученные по уравнению (3), составили для температуры 1073 K (1.34 ± 0.5) ⋅ 10–5 см2 ⋅ с–1, для температуры 1123 K – (1.72 ± ± 0.5) ⋅ 10–5 см2 ⋅ с–1 и для температуры 1173 K (2.5 ± 0.5) ⋅ 10–5 см2 ⋅ с–1.
Температурная зависимость коэффициентов диффузии, представленная на рис. 3, описывается следующим уравнением:
(4)
${\text{lg}}D\left( T \right) = --1.62 - {{3496} \mathord{\left/ {\vphantom {{3496} T}} \right. \kern-0em} T} \pm 0.03.$Используя данную зависимость, была рассчитана энергия активации процесса диффузии по уравнению:
(5)
${{--\Delta U} \mathord{\left/ {\vphantom {{--\Delta U} {2.303R}}} \right. \kern-0em} {2.303R}} = {{\partial {\text{lg}}D} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial {\text{lg}}D} {\partial \left( {{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 T}} \right. \kern-0em} T}} \right).}}} \right. \kern-0em} {\partial \left( {{1 \mathord{\left/ {\vphantom {1 T}} \right. \kern-0em} T}} \right).}}$Величина энергии активации диффузии в расплаве KCl–KF(10 мас. %)–K2TiF6 составила 70 ± 11 кДж ⋅ моль–1.
В работе [12] Николсоном была разработана теория определения стандартных констант скорости переноса заряда для квазиобратимых редокс процессов по данным циклической вольтамперометрии. Принимая, что формы Ох и Red растворимы или в растворе, или в материале электрода и переносятся только путем диффузии, Николсон получил решение, которое не может быть представлено в аналитической форме. В работе [12] установлена корреляция между функцией ψ, связанной с разностью потенциалов катодного и анодного пиков (ΔEp) и стандартной константой скорости переноса заряда:
(6)
${{\psi }_{T}} = \frac{{{{k}_{{\text{s}}}}{{{\left( {{{{{D}_{{{\text{ox}}}}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{D}_{{{\text{ox}}}}}} {{{D}_{{{\text{red}}}}}}}} \right. \kern-0em} {{{D}_{{{\text{red}}}}}}}} \right)}}^{{{\alpha \mathord{\left/ {\vphantom {\alpha 2}} \right. \kern-0em} 2}}}}}}{{\sqrt {{{(\pi {{D}_{{{\text{ox}}}}}nFv)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(\pi {{D}_{{{\text{ox}}}}}nFv)} {RT}}} \right. \kern-0em} {RT}}} }},$Уравнение (6) может быть упрощено, так как обычно Dox/Dred ≈ 1, тогда выражение принимает вид:
(7)
${{\psi }_{T}} = \frac{{{{k}_{{\text{s}}}}}}{{\sqrt {{{(\pi {{D}_{{{\text{ox}}}}}nFv)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(\pi {{D}_{{{\text{ox}}}}}nFv)} {RT}}} \right. \kern-0em} {RT}}} }}.$Для расчета стандартных констант скорости переноса заряда необходимо данные ΔEp и ψ, приведенные в работе [12] для температуры 298 K, пересчитать на рабочую температуру. Пересчет производился по уравнениям [13]:
(8)
${{(\Delta {{E}_{{\text{p}}}})}_{{298}}} = \frac{{{{{(\Delta {{Е}_{{\text{p}}}})}}_{T}}298}}{T},$Расчет величин (ΔEp)298 и ψT по уравнениям (8, 9) позволял с использованием зависимости (7) и величин коэффициента диффузии Ti(IV) рассчитать стандартные константы скорости переноса заряда.
Стандартные константы скорости переноса заряда (ks) редокс пары Ti(IV)/Ti(III) при различных температурах и скоростях поляризации представлены на рис. 4. Как видно из рисунка, ks не зависят от скорости поляризации и возрастают с увеличением температуры. Увеличение значений констант с ростом температуры обусловлено возрастанием числа частиц с энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера [14].
Температурная зависимость стандартных констант скорости переноса заряда в логарифмических координатах (рис. 5) описывается следующим эмпирическим уравнением:
(10)
${\text{lg}}{{k}_{{\text{s}}}} = \left( {2.01 \pm 0.40} \right)--{{\left( {4178 \pm 810} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {4178 \pm 810} \right)} Т}} \right. \kern-0em} Т}$Из этого уравнения была рассчитана энергия активации переноса заряда, равная 80 ± 15 кДж ⋅ моль–1. Полученное значение существенно выше энергии активации, рассчитанной для расплава (NaCl–KCl)экв–NaF(10 мас. %)–K2TiF6. [8]
На рис. 6 представлены температурные зависимости стандартных констант скорости переноса заряда редокс пары Ti(IV)/Ti(III), полученные для расплавов (NaCl–KCl)экв–NaF(10 мас. %)–K2TiF6 [8] и KCl–KF(10 мас. %)–K2TiF6. Как видно из рисунка, значения ks уменьшаются при переходе от расплава (NaCl–KCl)экв–NaF(10 мас. %) к расплаву KCl–KF (10 мас. %) в виду увеличения прочности комплексов титана из-за присутствия во второй координационной сфере катионов калия.
Исследование влияния сильнополяризующих катионов Mg2+, Ca2+, Sr2+ и Ва2+ на кинетику переноса заряда редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве KCl–KF (10 мас. %) показало, что при введении добавок солей щелочноземельных металлов в исходный расплав наблюдается увеличение ks, достигающее максимального значения при определенном отношении Me2+/Ti(IV) (рис. 7). Возрастание значений ks связано с вытеснением катионами щелочноземельных металлов катионов натрия и калия из второй координационной сферы комплексов титана и уменьшению прочности фторидных комплексов титана. Дальнейшее уменьшение ks происходит, по-видимому, из-за увеличения вязкости солевого расплава (так как расплавы галогенидов щелочноземельных металлов имеют большую вязкость по сравнению с расплавами щелочных металлов) и, как следствие, уменьшения коэффициентов диффузии.
Такие же результаты (в пределах погрешности эксперимента) были получены при использовании в качестве добавок как хлоридов, так и фторидов щелочноземельных металлов (рис. 8).
Температурные зависимости максимальных значений стандартных констант скорости переноса заряда с добавками катионов щелочноземельных металлов описываются эмпирическими уравнениями:
(11)
${\text{lg}}{{k}_{{{\text{s}}({\text{M}}{{{\text{g}}}^{{2 + }}})}}} = --(0.19 \pm 0.09)--{{(1150 \pm 240)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(1150 \pm 240)} {T,}}} \right. \kern-0em} {T,}}$(12)
${\text{lg}}{{k}_{{{\text{s}}({\text{C}}{{{\text{a}}}^{{2 + }}})}}} = --(0.15 \pm 0.01)--{{(1367 \pm 280)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(1367 \pm 280)} {T,}}} \right. \kern-0em} {T,}}$(13)
${\text{lg}}{{k}_{{{\text{s}}({\text{S}}{{{\text{r}}}^{{2 + }}})}}} = (0.23 \pm 0.04)--{{(1483 \pm 300)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(1483 \pm 300)} {T,}}} \right. \kern-0em} {T,}}$(14)
${\text{lg}}{{k}_{{{\text{s(В}}{{{\text{а}}}^{{2 + }}})}}} = (0.19 \pm 0.02)--{{(1710 \pm 350)} \mathord{\left/ {\vphantom {{(1710 \pm 350)} {T.}}} \right. \kern-0em} {T.}}$Расчет энергий активации процесса переноса заряда в расплавах с щелочноземельными металлами показал, что их значения (табл. 1) существенно меньше энергии активации исходной системы. Величины энергий активации для расплавов с добавками щелочноземельных металлов имеют тенденцию к уменьшению при переходе от катионов с меньшим ионным потенциалом к катионам с большим ионным потенциалом.
На рис. 9 показана зависимость максимального значения ks от ионного потенциала катионов щелочноземельных металлов для расплавов (NaCl–KCl)экв–NaF(10 мас. %)– K2TiF6 и KCl–KF(10 мас. %)–K2TiF6. Как видно из рисунка, константы скорости переноса заряда возрастают с увеличением ионного потенциала, для обоих расплавов зависимость носит прямолинейный характер и значения ks редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в системах с добавками сильнополяризующих катионов имеют большие значения для расплава на основе эквимолярной смеси NaCl–KCl.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе была изучена кинетика переноса заряда редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве KCl–KF(10 мас. %)–K2TiF6. Установлена область квазиобратимости процесса переноса заряда в данной редокс паре. По методу Николсона были рассчитаны стандартные константы скорости переноса заряда (ks). Показано, что стандартные константы скорости переноса заряда не зависят от скорости поляризации и возрастают с увеличением температуры, что обусловлено повышением тепловой энергии системы и увеличением числа частиц, обладающих энергией, необходимой для преодоления активационного барьера.
Было изучено влияние сильнополяризующих катионов Mg2+, Ca2+, Sr2+ и Ва2+ на кинетику переноса заряда редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве KCl–KF(10 мас. %)–K2TiF6. Установлено, что величины констант скорости переноса заряда возрастают с увеличением ионного потенциала, достигая максимального значения для комплексов с внешнесферными катионами магния.
Определены энергии активации процесса переноса заряда для фторидных комплексов редокс пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве KCl–KF(10 мас. %)–K2TiF6 и в системах с щелочноземельными металлами. Величины энергий активации в расплавах с добавками сильнополяризующих катионов существенно ниже энергии активации исходной системы и имеют тенденцию к уменьшению при переходе от катионов с меньшим ионным потенциалом к катионам с большим ионным потенциалом.
Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 15-03-02290_а).
Список литературы
Polyakova L.P., Stangrit P.T., Polyakov E.G. Electrochemical study of titanium in chloride-fluoride melts // Electrochim. Acta. 1986. 31. P. 159–161.
Sequeira C.A. Chronopotentiometric study of titanium in molten NaCl + KCl + K2TiF6 // J. Electroanal. Chem. 1988. 239. № 1–2. P. 203–208.
Полякова Л.П., Стогова Т.В. Исследование механизма взаимодействия титана с хлоридно-фторидными расплавами // ЖПХ. 1985. № 7. С. 1470–1473.
Polyakova L.P., Taxil P., Polyakov E.G. Electrochemical behaviour and codeposition of titanium and niobium in chloride–fluoride melts // Alloys and Compd. 2003. 359. P. 244–255.
Malyshev V., Gab A., Bruskova D.-M., Astrelin I., Popescu A.-M., Constantin V. Electroreduction processes involving titanium and boron species in halide melts. // Revue Roumaine de Chimie. 2009. 54. № 1. P. 5–25.
Norikawa Y., Yasuda K., Nohira T. Electrochemical behavior of Ti(III) ions in KCl–KF eutectic melt // The Electrochem. Soc. of Japan. 2018. 86. № 2. P. 99–103.
Norikawa Y., Yasuda K., Nohira T. Electrodeposition of titanium in a water-soluble KCl–KF molten salt // Materials Transactions. 2017. 58. № 3. P. 390–394.
Ветрова Д.А., Казакова О.С., Кузнецов С.А. Изучение электрохимического поведения редокс-пары Ti(IV)/Ti(III) в расплаве NaCl–KCl–K2TiF6 для оптимизации электрорафинирования титана и синтеза сплавов на его основе // ЖПХ. 2014. 87. № 4. С. 446–450.
Ветрова Д.А., Кузнецов С.А. Влияние сильнополяризующих катионов на кинетику переноса заряда редокс-пары Ti(IV)/Ti(III) в хлоридно-фторидном расплаве // Труды Кольского Научного Центра РАН. Апатиты. 2015. С. 214–217.
Nicholson R.S., Shain J. Theory of stationary electrode polarography // Anal. Chem. 1964. 36. № 4. P. 706–723.
Делахей П. Новые приборы и методы в электрохимии. М.: ИИЛ, 1957.
Nicholson R.S. Theory and application of cyclic voltammetry for measurement of electrode reaction kinetics // Anal. Chem. 1965. 37. № 11. P. 1351–1355.
Кузнецов С.А., Кузнецова С.В., Стангрит П.Т. Катодное восстановление тетрахлорида гафния в расплаве эквимольной смеси хлоридов натрия и калия // Электрохимия. 1990. 26. С. 63–68.
Дамаскин, Б.Б., Петрий, О.А. Введение в электрохимическую кинетику. М.: Высшая школа, 1975.
Matsuda H., Ayabe Y. Zur Theorie der Randles-Sevcikschen kathodenstrahl-polarographie // Z. Elektrochem. 1955. 59. P. 494–503.
Дополнительные материалы отсутствуют.