金属熱還元反応における電子の移動経路と析出メカニズムの解明

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チタンの製造プロセスでは「導電体を介した反応」すなわち"Electronically Mediated Reaction (EMR)"が極めて重要な概念である。しかし、金属熱還元反応における電子の移動経路を解析した例は過去にほとんどなく、さらに、反応生成物の析出形態と電子の動きを関連づけを目的とする研究は、申請者らの知る限りではこれまでに報告されていなかった。この現状を踏まえて、本研究では金属熱還元反応におけるEMRの重要性を実験的に立証し、その反応メカニズムを解明することにより反応生成物の析出形態とEMRの関連を明確にした。具体的には、チタンの還元反応メカニズムの解析に焦点を絞り、金属生産プロセス原理の微視的理解に必要な新しい手法の確立に主眼を置き、金属熱還元におけるEMRすなわち「導電体を介した反応」の重要性を実験的に定量化し、電子の移動経路と析出メカニズムを解明した。具体的には、約600°CのMgCl_2溶融塩中のお互いに独立した部位にそれぞれ原料のチタン塩化物(TiCl_4)及び還元剤の金属マグネシウム(Mg)を投入し反応させた。この反応は、原料(TiCl_4)と還元剤(Mg)が溶融塩中を互いに拡散し反応しなければ還元反応は進行しないと従来考えられてきたが、これらの独立した部位を導電体でつないだ場合、原料(Ti^<4+>)が導電体を通じて電子を受け取ることにより、導電体を介した電子の移動に伴う還元反応(EMR)が可能であることを明らかにした。また、外部電流をモニタすることによりチタンの還元反応におけるEMRの割合を測定した。さらに原料投入部位の電極に付着した析出物を観察することによってEMRと析出形態との関係を定量的に検討した。