Electrochemical processes in the AlCl3-urea ionic liquid analogue

Abstract

Hvert år produseres det nesten 70 millioner tonn aluminium på verdensbasis som blir anvendt i ulike industrier, blant annet transport-, elektronikk- og emballasjeindustrien. Materialet er høyt etterspurt grunnet sine unike egenskaper og tilgjengelighet. Primæraluminium produseres gjennom høytemperaturprosessen Hall-Héroult, som både er energikrevende og forurensende.

Aluminium kan også utvinnes fra lavtemperatursmelter. Blant disse har aluminiumutvinning fra en AlCl3-urea ionisk væske analog blitt foreslått som et lovende alternativ til Hall-Héroult, grunnet tilgjengeligheten av urea og lave kostnader knyttet til stoffet. Målet med dette arbeidet har vært å få et oversiktsbilde av de ulike elektrokjemiske prosessene som forgår på forskjellige elektroder i en AlCl3-urea smelte, med og uten tilsatt NaCl. For å oppnå dette har AlCl3-urea og AlCl3-urea-NaCl med forskjellige sammensetninger blitt fremstilt. Væskene ble undersøkt med Raman spektroskopi og informasjonen ble brukt i den elektrokjemiske analysen.

Tre ioniske komplekser ble funnet, AlCl4- , Al2Cl7- , og [AlCl2(urea)2]+. Aluminium ble utfelt ved to potensialer. Først ved ca. - 0,1 V (vs Al) fra Al2Cl7- og deretter ved -1,1 V (vs Al) fra [AlCl2(urea)2]+. Utfellingspotensialet var avhengig av elektrolyttsammensetning. Ved lavere AlCl3 innhold i væsken, flyttet utfellingsreaksjonen til høyere katodiske potensial. Tilsats av NaCl reduserte den katodiske strømtettheten fordi saltet reagerte med de elektroaktive kompleksene. NaCl ledet også til utvikling av en gass, som antakeligvis var klor. En annen anodeprosess, interkalering av "chloroaluminates", ble observert på karbonelektroder. Prosessen var kjemisk reversibel, men ved høyere anodiske potensialer førte prosessen til nedbrytning av elektroden.

Every year, nearly 70 million tons of aluminium is produced worldwide for a wide range of industries, e.g., automotive, electronics, and packaging industries. The material is high in demand due to its unique properties and availability. Primary aluminium is produced through the high-temperature Hall-Héroult process, which is both energy consuming and polluting.

Aluminium can also be deposited from low-temperature melts. Among these, aluminium deposition from an AlCl3-urea ionic liquid analogue has been suggested to be a promising option, due to the availability and low cost of urea. This work has aimed to obtain a general picture of the electrochemical processes on different electrodes in the AlCl3-urea ionic liquid analogue, with and without NaCl. In order to achieve this, AlCl3-urea and AlCl3-urea-NaCl of different compositions have been prepared, and the electrolytes have been investigated with Raman spectroscopy. The information obtained was used in the electrochemical analysis.

Three ionic species was found in the melt, AlCl4-, Al2Cl7- and [AlCl2(urea)2]+. Aluminium deposition occurred at two potentials. First at around −0.1V (vs Al) from Al2Cl7- and secondly at around -1.1V (vs Al) from [AlCl2(urea)2]+. The deposition potential was dependent on the electrolyte composition. At lower AlCl3 content, the deposition shifted to higher cathodic potential. Adding NaCl reduced the cathodic current density because the salt reacted with the electroactive species. It also promoted a gas reaction which was believed to be chlorine evolution. A different anode process, i.e. chloroaluminate intercalation was observed on carbon electrodes. The process was chemically reversible, but at higher anodic potentials, the process led to the disintegration of the electrode.