[科普中国]-FFC剑桥法

FFC剑桥法（英语：FFC Cambridge Process）是一种将固体金属，尤其是氧化物，置于阴极，在熔融盐中还原成较纯金属或者合金的电化学方法。FFC剑桥法被视为一种具有潜力的精炼方式，未来可能可以取代某些现有的金属生产方式，例如长期用于精炼钛的克罗尔法。

历史FFC剑桥法在1996、1997年间由陈政、德雷克·富雷、汤姆·法辛（Tom Farthing）三人于剑桥大学开发出来。该法之命名也是取自上述三人的姓氏字首字母。三人成功以熔融盐电化学方法从钛箔上的氧化鳞皮、二氧化钛粉末烧结成的小球粒、钛渣等含钛物还原出纯金属钛。注意传统方法大多需要先将含钛物通氯气制成四氯化钛，才能进行后续的还原制程。1904年德国专利150557号也有类似的制程。1

制程整个制程通常在900°C至1100°C的温度范围内进行，阳极实务上常以石墨碳棒制作，阴极是待还原的含钛氧化物、含钛物（有些研究会先以钼网包覆阴极，防止阴极碎裂散落），电解液则须以氯化钙熔汤担当，坩埚大多采用石墨材质。基于氧化物的性质，存在一相对于阳极的特定电位，影响氧化钙在熔汤中的含量。阴极被极化至一比阳极更低之电位。借由在两极间施加一电压达成两极间电位差。当极化至更低的负电位后，阴极的氧化物倾向于对电解液释出氧离子，氧离子进入电解液后以氧化钙的形式存在。为维持电解液的电中性，当一氧离子离开阴极进入电解液时，另一氧离子从电解液游向阳极，故阳极采石墨电极时，可在阳极附近观测到一氧化碳或二氧化碳生成。也因为氧离子游向阳极，惰性阳极可以用来产生氧气。

当达到负电压时，阴极可能开始产生钙。钙的还原性很高，会进一步将阴极的氧剥离，达到钙热还原的效果。不过，当越来越多钙溶入氯化钙熔汤时，熔汤电解液导电性会上升，致使电流效率降低。2

阴极反应机转整个电－钙热还原反应机转可以下式表述。

MOx+xCa → M +xCaO （1）

该反应自发进行时，称之为钙热还原反应，或也可视为金属热还原（metallothermic reduction）反应的其中一例。例如，若阴极为TiO，则钙热还原反应的反应式可写为

TiO + Ca → Ti + CaO

虽然上式这么表示，但实际上这是一个逐渐将氧从氧化物上剥离的过程。例如，阴极的二氧化钛不会一步到位地产生钛，而会先产生一堆中间产物如Ti3O5、Ti2O3、TiO等等低价氧化物。

钙氧化物的电解反应化学式如下：

xCaO → x Ca2+ + x O2- （2a）

xCa2+ + 2xe- →xCa （2b）

xO2- →x/2 O2+ 2xe- （2c）

反应式（2b）显示在阴极旁熔汤中的钙离子Ca还原成钙。钙会继续使阴极的金属氧化物还原成金属。

综合反应式（1）与反应式（2），反应的净结果可看成是金属氧化物分解成金属与氧气：

MOx→ M +x/2 O2 （3）

阳极反应机转以氯化钙熔汤作电解液非常重要，因为这种熔融盐可以溶解并输送O离子至阳极释放电子。阳极反应视阳极材质有不同产物，石墨材质的阳极会产生一氧化碳、二氧化碳或其他含碳混合物：

C + 2O2- → CO2+4e−

C + O2- → CO + 2e−

然而，阳极若是由反应性较低的材质，如高密度SnO2，则O离子倾向在阳极反应成氧气。采取惰性阳极至少有两项缺点，一来当熔汤中氧化钙渐渐减少，阳极处将倾向产生氯气，不利环保与人员安全，二来比起石墨阳极，会使制程更耗能，综上两点，惰性阳极会导致整个电解池不稳定。1

2O2- → O2+ 4e−

本词条内容贡献者为:

黄伦先 - 副教授 - 西南大学