Bornitridtiegel für die Herstellung von TiO2 aus Salzschmelze

Auf der Suche nach der Entwicklung fortschrittlicher Materialien und Verfahren für verschiedene Branchen erforschen Wissenschaftler ständig neue Methoden und Materialien, um ihre Arbeit zu optimieren. Ein solches Interessengebiet ist die Schmelzsalzelectrolyse von Titandioxid (TiO2), ein Prozess, der in der Titanmetallproduktion und im Bereich der Kernmaterialien genutzt werden kann. In einer Studie von T. Nakamura, K. Sato und K. Hiraoka, die 2017 im Journal of Nuclear Materials veröffentlicht wurde, zeigten die Autoren die Entwicklung eines Bornitrid (BN)-Tiegels für diesen Prozess. Dieser Artikel erörtert die Gründe für die Wahl der Forscher, einen Bornitridtiegel zu verwenden, und hebt dessen Vorteile gegenüber anderen Materialien hervor.

Eigenschaften von Bornitridtiegeln

Bornitrid ist ein vielseitiges Material mit einzigartigen Eigenschaften, die es besonders für den Einsatz in Hochtemperaturanwendungen wie der Schmelzsalzelectrolyse geeignet machen. Zu diesen Eigenschaften gehören:

Hohe thermische Stabilität: Bornitrid kann Temperaturen von bis zu 3000°C in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre standhalten und somit seine Strukturintegrität unter den extremen Bedingungen der Schmelzsalzelectrolyse bewahren. 

Geringe thermische Ausdehnung: BN hat einen geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten, d.h. es unterliegt bei Temperaturschwankungen nur minimalen Dimensionsänderungen. Diese Eigenschaft ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Tiegelintegrität während des Elektrolyseprozesses, da sie das Risiko von Rissen und Ausfällen minimiert.

Hervorragende chemische Beständigkeit: Bornitrid ist gegen die meisten Chemikalien, einschließlich Salzschmelzen, resistent und reagiert weder mit geschmolzenem Metall noch mit dessen Oxiden. Diese Eigenschaft ist insbesondere bei der Elektrolyse von TiO2 von Vorteil, da sie eine Kontaminierung des Endprodukts verhindert und die Herstellung von hochreinem Titanmetall ermöglicht.

Gute elektrische Isolierung: BN ist ein hervorragender elektrischer Isolator, was für den Elektrolyseprozess von entscheidender Bedeutung ist. Diese Eigenschaft ermöglicht es dem Tiegel, den hohen Spannungen und Strömen, die bei diesem Prozess auftreten, ohne Kurzschluss oder elektrische Störungen standzuhalten.

Geringe Benetzbarkeit: Bornitrid weist eine geringe Benetzbarkeit durch geschmolzene Metalle und Salze auf, was die Bildung starker Bindungen zwischen dem Tiegelmaterial und der Salzschmelze verhindert. Diese Eigenschaft ermöglicht ein leichtes Entfernen des Endprodukts und verlängert die Lebensdauer des Tiegels.

BN im Vergleich zu anderen Tiegelmaterialien

Beim Vergleich von Bornitridtiegeln mit anderen in Hochtemperaturanwendungen üblichen Materialien werden mehrere Vorteile deutlich: 

Aluminiumoxid (Al2O3)-Tiegel: Obwohl Aluminiumoxidtiegel hohen Temperaturen standhalten können, neigen sie dazu, mit geschmolzenen Salzen und Metalloxiden zu reagieren, was zu einer Verunreinigung des Endprodukts führt. BN-Tiegel bieten dagegen eine hervorragende chemische Beständigkeit und verhindern solche Verunreinigungen. 

Graphittiegel: Graphittiegel sind ebenfalls in der Lage, hohen Temperaturen standzuhalten, unterliegen aber bei hohen Temperaturen einer Oxidation, was zu einer strukturellen Zersetzung führt. Bornitridtiegel können jedoch ihre Strukturintegrität in nicht-oxidierenden Umgebungen bis zu 3000°C bewahren. 

Zirkoniumoxid (ZrO2)-Tiegel: Zirkoniumoxidtiegel sind chemisch stabil und können hohen Temperaturen widerstehen. Sie haben jedoch einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu BN, was sie anfälliger für Risse während thermischer Zyklen macht. Bornitridtiegel mit ihrer geringen thermischen Ausdehnung sind für Anwendungen in der Schmelzsalzelectrolyse besser geeignet.

 Andererseits, da Bornitrid ein bearbeitbares Material ist, wie Grafit, unterstützt es schnelles Prototyping. Schließlich hat jeder Haushalt Messer, die einen Truthahn zerteilen können, aber man kann von diesen Geräten nicht erwarten, dass sie einen ganzen Büffel bewältigen. 

Vorteile von BN-Tiegeln bei der Schmelzsalzelectrolyse von TiO2

Die Verwendung von Bornitridtiegeln für die Schmelzsalzelectrolyse von TiO2 bietet mehrere Vorteile, darunter:

Verbesserte Prozesseffizienz: Die außergewöhnliche thermische und chemische Stabilität von BN ermöglicht einen effizienteren Elektrolyseprozess, da das Risiko eines Tiegelversagens und die Notwendigkeit häufiger Ersatzaktivitäten minimiert werden. 

Höhere Reinheit des Endprodukts: Die chemische Beständigkeit von Bornitrid verhindert eine Kontaminierung des Titanmetalls durch das Tiegelmaterial, was die Herstellung eines hochreinen Endprodukts, das in Branchen wie Luft- und Raumfahrt sowie Kernmaterialien entscheidend ist, ermöglicht. 

Verlängerte Lebensdauer des Tiegels: Die Kombination aus hoher thermischer Stabilität, geringer thermischer Ausdehnung und geringer Benetzbarkeit trägt zu einer längeren Lebensdauer von BN-Tiegeln im Vergleich zu anderen Materialien bei. Diese Eigenschaft reduziert die Ausfallzeiten für den Tiegelwechsel und senkt die Gesamtkosten des Elektrolyseprozesses.

Zusammenfassend bietet die Verwendung von Bornitridtiegeln in der Schmelzsalzelectrolyse von Titandioxid zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Materialien. Ihre außergewöhnliche thermische Stabilität, geringe thermische Ausdehnung, hervorragende chemische Beständigkeit und geringe Benetzbarkeit machen sie zur idealen Wahl für diese Hochtemperaturanwendung. Durch den Einsatz von BN-Tiegeln können Forscher die Prozesseffizienz verbessern, ein hochreines Endprodukt erzielen und die Lebensdauer des Tiegels verlängern, was letztendlich die Gesamtkosten des Prozesses senkt.