Alüminyum elektroliz alanında, alüminyum sıvıyı toplamak için anahtar bir bileşen olarak katot, uzun zamandır karbon - tabanlı malzemeler hakimdir. Bununla birlikte, malzeme bilimi araştırmasının sürekli derinleşmesi ve yüksek - performans elektroliz sistemlerine olan talebin artmasıyla, bir soru yavaş yavaş ortaya çıktı: alüminyumun kendisi bir katot olabilir mi?
Bu soruyu cevaplamak için, önce alüminyum elektrolitik hücredeki bir katodun üstlenmesi gerektiği temel fonksiyonlarını açıklığa kavuşturmamız gerekir. Akımın düzgün iletimini sağlamak için mükemmel elektriksel iletkenliğe sahip olması gerekir; Yüksek - sıcaklık elektrolitinin (yaklaşık 950 - 970 derece) erozyonuna ve erimiş alüminyumun uzun - terim daldırmasına direnebilmelidir; Aynı zamanda, elektroliz sistemindeki alüminyumun saflığını veya elektrolizin ilerlemesini etkileyen diğer maddelerle kimyasal reaksiyonlardan kaçınmak için kararlı kimyasal özelliklere sahip olmalıdır.
Alüminyum, bakırınkine yakın ve geleneksel karbon katotlarından çok daha yüksek olan olağanüstü elektrik iletkenliğine sahiptir. Bu, alüminyumun bir katot malzemesi olarak potansiyel avantajları olmasını sağlıyor gibi görünüyor. Ek olarak, alüminyum, elektrolitik hücrenin lokal bölgelerinde ısıyı dağıtmaya yardımcı olabilecek ve yüksek - sıcaklık birikiminin elektrot yapısı üzerindeki etkisini azaltmaya yardımcı olabilecek iyi termal iletkenliğe sahiptir.
Bununla birlikte, alüminyumun bir katot olarak gerçek uygulaması aşılmaz engellerle karşı karşıya. En kritik sorun, alüminyumun elektrolitik ortamda kimyasal stabilitesidir. Yüksek - sıcaklık erimiş tuz elektrolitinde (esas olarak kriyolit ve alüminadan oluşur), alüminyum elektrolitteki bazı bileşenlerle reaksiyona girmesi kolaydır. Örneğin, sadece alüminyumun kendisini tüketecek, aynı zamanda elektrolitin normal ilerlemesini ve üretilen alüminyumun kalitesini etkileyen safsızlıklar üretecek olan iyonlar içeren flor - içeren alüminyum bileşikler oluşturabilir.
Bir diğer önemli konu da alüminyumun yüksek - sıcaklık direncidir. Alüminyum belirli bir yüksek - sıcaklık direncine sahip olmasına rağmen, erime noktası sadece 660 derecedir, bu da alüminyum elektrolitik hücrenin çalışma sıcaklığından çok daha düşüktür (950 - 970 derecesi). Böyle yüksek bir - sıcaklık ortamında, alüminyum doğrudan eriyerek bir elektrot olarak gereken yapısal stabiliteyi kaybedecektir. Erime noktasını iyileştirmek için alaşım modifikasyonu gerçekleştirilse bile, modifiye edilmiş alüminyum alaşımı hala uzun - terimi yüksek - sıcaklık koşulları altında performans bozulma sorunuyla karşılaşacak ve endüstriyel üretimin hizmet ömrü gereksinimlerini karşılamak zor olacaktır.
Ek olarak, pratik üretim açısından, katot erimiş alüminyum toplamak için kararlı bir şekil tutmalıdır. Geleneksel karbon katotları, elektrolitik hücrenin altındaki bir "konteyner - gibi" boşluk oluşturmak için yüksek sıcaklıklarda katı yapılarına güvenir. Alüminyum bir katot olarak kullanılırsa, erim olmasa bile, yüzeyi erimiş alüminyum ile ıslanacak, toplanan alüminyum sıvıyı katodun kendisinden ayırmayı zorlaştıracak, bu da alüminyumun normal deşarjını etkileyecek ve üretim operasyonlarının zorluğunu artıracak.
Şu anda, alüminyum elektroliz endüstrisinde alüminyumun katot olarak kullanılması için endüstriyel bir durum yoktur. Ancak bu, ilgili araştırmaların yapılmadığı anlamına gelmez. Bazı laboratuvarlar, alüminyumun elektrolit ve yüksek - sıcaklık ortamından alüminyumdan izole etmek amacıyla yüksek - sıcaklık - dirençli seramikler veya inert metal filmler gibi özel koruyucu katmanlarla alüminumu kaplamaya çalışmışlardır. Kısa - terim deneylerinde bazı ilerleme kaydedilmiş olsa da, koruyucu katman uzun - terimi yüksek - sıcaklık ve kimyasal erozyon terimi altında soyulur veya bozulur ve kararlı çalışma elde etmek zordur.
Aksine, geleneksel karbon katot, sınırlı servis ömrü ve düşük iletkenlik gibi eksikliklerine rağmen, hala yüksek - sıcaklık elektrolitik ortamında yapısal stabiliteyi koruyabilir ve elektrolit ve erimiş alüminyum ile iyi uyumluluğa sahiptir. Bu yüzden bir asırdan fazla bir süredir endüstride kullanılmıştır. Aynı zamanda, araştırmacılar ayrıca, alümin ile değiştirmek yerine karbon malzemelerinin avantajlarını koruma temelinde performansı iyileştirmeyi amaçlayan grafit - tabanlı kompozitler ve seramik - güçlendirilmiş karbon malzemeleri gibi yeni katot malzemeleri geliştiriyorlar.
Sonuç olarak, alüminyumun elektriksel iletkenlikte belirli avantajları olmasına rağmen, yüksek - sıcaklık direncindeki sınırlamalar, elektrolitik ortamda kimyasal stabilite ve üretim süreciyle yapısal uyumluluk nedeniyle alüminyum elektrolizde bir katot olarak kullanılması imkansızdır. Malzeme modifikasyonu ve kaplama teknolojisinin geliştirilmesiyle, belki de gelecekte, alüminyumun bir katot olarak temel problemlerini çözmede atılımlar olacaktır, ancak mevcut teknik sistemde alüminyum alüminyum elektroliz için pratik bir katot malzemesi olamaz.
