高氢化学势下镁热还原TiO2一步法制备低氧含量TiH2粉末（0.21 mass%O）的突破性研究

针对钛金属生产过程中氧含量控制难题，研究人员创新性地开发了在Ar-10%H2气氛中通过镁热还原TiO2一步制备低氧TiH2粉末（0.209 mass%O）的工艺。该研究通过调控TiO2颗粒尺寸（45-300 μm）、熔盐比例（MgCl2-KCl）及反应时间（12-48 h），实现了ASTM Grade 2标准以下的氧含量控制，为简化钛金属生产工艺提供了新思路。

　　

钛金属因其高强度重量比、耐腐蚀性和生物相容性被誉为"太空金属"和"生物金属"，但其工业化生产长期受困于氧杂质控制难题。传统Kroll工艺虽能制备低氧钛锭（500 ppm O），但存在能耗高、氯气毒性大等缺陷。更棘手的是，当采用直接还原TiO₂路线时，常规镁热还原产物氧含量高达2 mass%，远超ASTM Grade 2标准（0.25 mass%O）。韩国能源技术评价规划院（KETEP）资助的研究团队在《Sustainable Materials and Technologies》发表的研究中，开创性地提出在MgCl₂-KCl熔盐体系中，利用高氢分压（Ar-10%H₂）促进镁热还原与氢化协同作用，成功实现TiO₂一步转化制备0.209 mass%O的TiH₂粉末。

研究团队采用三大关键技术：湿法筛分制备45-300 μm分级TiO₂原料、973K熔盐介质反应体系优化、以及氢化学势（p_H2）精确调控。通过商业硫酸法获得的TiO₂经湿筛后形成由纳米初级颗粒组成的微米级二次结构（45-75 μm），这种特殊形貌既保证反应活性又控制比表面积。

【TiO₂ feedstock preparation】部分揭示，未烧结的45-75 μm颗粒在r_salt/feed=0.87、r_Mg/feed=1.72条件下反应48小时，氧含量最低降至0.209 mass%。【Mechanism of magnesiothermic reduction】通过Ti-O-H化学势图阐明，高p_H2环境使γ_O（氧活度系数）提升，推动Mg/MgO平衡向深度脱氧方向移动。【Influence of sintering】显示烧结虽增大颗粒尺寸但导致孔隙率下降，反而不利于氧扩散去除。

结论部分指出，该工艺突破性地将传统两步法（HAMR工艺）整合为单步完成，产物氧含量达ASTM Grade 2标准。特别是采用45-75 μm特殊结构TiO₂时，其纳米级初级颗粒提供还原活性位点，微米级二次结构又有效抑制表面氧化层占比，使体相氧与表面氧达到最优平衡。研究为发展绿色低成本钛冶金技术提供了新范式，相关成果已获KETEP两项计划（RS-2023-00246095、RS-2025-04442986）持续支持。