铌粉的制备方法

背景及概述^[1]

铌是耐热合金、高强度低合金钢、高温合金和不锈钢的主要成分。高纯铌具有良好的延展性和导热性，主要用于制造高端科技产品。目前，铌粉主要通过高温下还原铌的高纯化合物(氧化物、氟络盐、氯化物)制得，工艺流程长，能耗高，污染环境，使得铌的成本高，供应量较少，其应用领域被限制。因此，开发短流程，成本低，对环境友好生产铌的工艺成为近年来研究的热点，其中熔盐电脱氧法(FFC)是被广泛关注。

制备^[2]

目前，我国生产金属铌材可分为两大类：一是铌锭；二是铌粉。就冶炼工艺方面而论，主要有二类基本方法，即金属热还原法、熔盐电解法。

金属热还原法

金属热还原法是利用活性较强的金属做还原剂，还原其它金属化合物以制取金属的方法，通称为“金属热还原法”，还原反应式可表示为：

MeX+Me'→Me+Me'X+ΔH

(1)钠热还原法

钠热还原法一般采用金属铌的氟氯化物为原料，以金属钠为还原剂进行热还原。钠热还原铌的氟氯化物主要用来制备金属铌锭，反应式为：

K2NbF7 +2Na^-→Nb +5NaF + 2KF

钠还原K2NbF7时，由于反应热效应不足以使还原过程自发进行，因此盛炉料的坩埚放到预先加热到600℃的电炉中加热，并在900～1000℃保温1～1.5h，然后再从坩锅中取出反应物，用水把反应生成物中的盐洗掉，然后先用稀硝酸，最后再用浓度为25%的氢氟酸清洗铌粉.此工艺的优点：还原用的金属钠易于提纯、货源稳定，产物形貌易于控制，纯度较高。缺点：反应温度较高，能耗大，设备腐蚀严重，洗涤时涉及到强酸，操作难度较大。

(2)铝热还原法制取金属铌

铝热还原法是用铝还原五氧化二铌，是目前国外生产铌的主要方法，反应式为：

3Nb2O5 + 10Al =6Nb +5Al2O3

将五氧化二铌和铝粉掺合加到坩锅内，并用铝粉覆盖，然后将坩锅加热到1000℃点火反应，还原反应急剧进行，同时释放出大量的热量。一般Nb2O5的铝热还原产物为铌铝热剂(Nb－Al－O合金)，在高温真空条件下，Al，Al2O和少量的NbO从铌铝热剂中挥发，还原经真空加热数小时后，可得海绵状铌。该方法是在氩气的保护中完成的，有利于环境治理和扩大生产。但该方法还原剂铝的用量大，生产周期长，总产量相对较低，导致了整个还原过程成本较高。还原产物金属铌纯度不高(约为95%)，含有一定量的铝，需通过电弧熔炼或电子束熔炼进一步提纯。由于反应物之间互相接触，难以控制反应位置和铌粉的形状，铌粉易附在在反应容器壁上，带入新的杂质。碳还原法制取金属铌用碳还原五氧化二铌，是目前我国生产金属铌的主要方法。化学反应式为：

Nb2O5 +5C=2Nb + 5CO↑

碳热法还原工艺流程如图所示。还原机理主要是通过间接碳热还原生产金属铌。反应式为：

Nb2O5 + 7C→2NbC + 5CO↑

Nb2O5+ 5NbC→7Nb +5CO↑

碳热间接还原五氧化二铌生产铌是按两步反应进行，反应过程中有NbC，Nb2C，NbO2和NbO等中间产物生成，到最后阶段碳、氧含量降至饱和溶解度以下，从Nb－C－O熔融液中脱氧并与碳反应。若要保证C的完全除去，应有过剩氧，在O∶C=6∶1时，可获得还原效果。与铝热法相比，碳还原法用石墨作还原剂，价格便宜，生产工序较少，铌的回收率高(达96%以上)。但该方法须用较贵重的真空石墨炭管炉，设备结构复杂，反应条件苛刻，还原周期长，温度高，电耗大，操作较为困难。

2. 传统熔盐电解法

传统的熔盐电解法一般是电解铌的氟化物(K2NbF7)制取铌，采用的电解质体系通常为K2NbF7－NaCl或K2NbF7－KCl－NaCl。电解反应：

K2NbF7+5Cl^-一2K⁺ + 7F^- +5/2Cl2 + Nb

电解温度由电解质的组成所决定。熔盐质体系的选择是电解的关键因素，须满足以下条件：(1)熔盐系统中不能有析出电位比铌更低的金属离子；(2)熔盐体系熔点低，导电率高，粘度小；(3)电解产物容易和熔盐分离。电解法制备的铌粉纯度高，回收率高，粒度细，可直接作为生产电容器的原料。但电流效率低，产量较小是制约其扩大发展的瓶颈，电解之前需将铌的氧化物制备成铌的氟化物，会增加生产成本和生产周期。

3. 熔盐电脱氧法制备金属铌(FFC)

2000年，英国剑桥大学的教授Fray等发明了一种由二氧化钛直接制备金钛的新工艺，即熔盐电脱氧法(FFC法)［14］，将二氧化钛压制成块，在氧化性气氛中于800～1000℃下烧结，制成阴极，以石墨棒为阳极，熔融的CaCl2为电解质，通过施加适量的电压，阴极中的氧发生电离形成氧离子并迁移到阳极，与碳反应生成CO(CO2)放出，阴极留下金属钛。整个工艺过程中不存在液钛或离子钛，这是与传统电解工艺的主要区别。电极电压高金属氧化物而低于熔盐的理论分解电压，一般在2.8～3.2V之间，电解温度为800～950℃，电解一定时间可获得纯度较高的金属钛，电解池装置示意图如图所示。电极反应可表示为：

FFC法将不导电的金属氧化物作为电化学反应的阴极，这一打破常理的做法引起了人们极大的关注。此方法具有流程短、环友好等特点，曾被公认为最具有发展前途的方法。国内外学者们利用该方法制备出了海绵态金属铌。由于FFC法阴极和石墨阳极同时于熔盐中，如何控制电位使金属铌留下，阴极上不沉淀钙和其他杂质是个难题；石墨阳极容易发生烧损，碳颗粒浮在熔盐表面，以及杂质带来的副反应，导致电流效率低，电解电解速度慢；长时间电解与控制CaCl2

熔盐挥发又成为新的矛盾。

3. 固体透氧膜法(SOM)制备金属铌

针对以上存在的问题，上海大学鲁雄刚教授提出了利用SOM技术从金属氧化物中直接制备金属的新方法。SOM法采用只传导氧离子的固体透氧膜将阳极和熔盐隔离开，由于固体透氧膜对离子的选择作用，使得参与阳极反应的阴离子只有O2－，通过控制电极电位可保证特定金属离子在阴极选择性析出，参与电解反应的是金属氧化物而非其它物质。因此，SOM法没有副反应发生，在两极间可以施加较高的电解电压，提高了电流密度和电流效率。基本原理如图所示。

当两极间施加的电压大于阴极氧化物的分解电压时，固体阴极(MeOx)中的氧发生电离形成氧离子，O2－穿过熔盐电解质和透氧膜到达阳极发生氧化，并与碳反应生成CO或CO2。SOM法的反应原理是一个电化学过程，电极反应为：

在适宜的条件下，采用SOM法可制取出高纯度的金属铌。Nb2O5粉末在成型压力为8MPa，1100℃烧结3h制成的阴极片，在CaCl2熔盐中，经1150℃电解3h后获得海绵结构的金属铌，电解产物经能谱分析没有发现氧含。

主要参考资料

[1] 现代材料科学与工程辞典

[2] 金属铌制备工艺的研究与开发进展