典型轻、中、重稀土元素（P的电化学行为及电解提取研究.pdf

典型轻、中、重稀土元素(Pr、Dy、Yb)在活性Ga阴极上的电化学行为及电解提取研究

摘要

核能作为一种无碳、清洁以及高能量密度的能源，有助于实现二氧化碳峰值排放

和碳中和的目标。然而，在核反应过程中，只有少量的铀参与裂变，从而导致了大量

乏燃料(SNF)的产生。为推动核能的可持续发展，对SNF进行后处理以提高铀资源的循

环再利用率并减少放射性废物的体积刻不容缓。高温化学处理技术是一项有望广泛应

用于包括水冷热堆和快堆在内的SNF处理技术。然而，在熔盐电解过程中，随着电解

的持续进行，如稀土元素这类主要的裂变产物容易在熔盐中累积，这会显著影响锕系

元素(An)的回收过程。为此，本文选取了三种典型轻、中、重稀土元素(Pr、Dy、Yb)

作为研究对象，分别研究了它们在LiCl-KCl熔盐中Ga阴极上的电化学行为，并通过恒

电位电解的方式在熔盐中对各稀土元素进行了提取，旨在提供全面的基础参数和有效

的提取技术。本文主要的研究内容包括以下几点：

通过不同的电化学技术研究了Pr(III)与Ga(III)离子在LiCl-KCl熔盐中的共沉积行

为，依据电动势法计算了Pr-Ga金属间化合物的吉布斯自由能、熵变以及焓变，并获得

了Pr-Ga金属间化合物的吉布斯自由能与温度间的关系。在液态Ga电极上，通过循环

伏安法和恒电流间歇滴定技术研究了Pr(III)离子的电化学还原过程，并利用电动势法得

到了液态Ga中Pr的活度系数与温度间的关系式：ln()=3.48−24446/。在LiCl-

PrGa

KCl-PrCl3熔盐中以恒电位电解的方式，在液态Ga电极上成功提取了稀土元素Pr，电

解产物经XRD和SEM-EDS表征分析为GaPr和GaPr金属间化合物，并实现了高达

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94.36%的提取率。

综合利用多种电化学分析技术探究了Ga(III)与Dy(III)离子在LiCl-KCl熔盐中的共

沉积行为，并采用电动势法计算了Ga-Dy金属间化合物的热力学数据。在液态Ga电极

上，通过循环伏安法和恒电流间歇滴定技术，探究了Dy(III)离子的电化学还原过程，

并利用电动势法得到了液态Ga中Dy的活度系数与温度间的关系式：ln()=6.51−

DyGa

24420/T。通过线性极化技术研究并确定了在不同温度下DyCl3在液态Ga电极上的交

换电流密度，其关系式：ln0=−2006.97/T−1.00。最后，在LiCl-KCl-DyCl3熔盐中

以恒电位电解的方式，在液态Ga电极上成功提取了稀土元素Dy，电解产物经XRD和

SEM-EDS表征分析为DyGa和DyGa金属间化合物，电解提取效率可达93.80%。

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通过多种电化学手段研究了Ga(III)和Yb(III)离子在Mo电极上的电化学氧化还原机

理以及Yb(III)离子在液态Ga电极上的电极反应。在Mo网上采用恒电位电解法从LiCl-

哈尔滨工程大学专业学位硕士学位论文

KCl-GaCl-YbCl熔盐体系中成功提取了稀土元素Yb，电解产物经XRD和SEM-EDS表

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征分析为GaYb金属间化合物，电解提取效率可达91.53%。

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关键词：熔盐电解；干法后处理；LiCl-KCl熔盐；稀土元素；液态镓

典型轻、中、重稀土元素(Pr、Dy、Yb)在活性Ga阴极上的电化学行为及电解提取研究

Abstract

Nuclearenergy,asacarbon-free,clean,and