高纯钛是大规模集成电路的基础原材料之一，5N级以上（N是英文Nine的首字母，5N代表纯度99.999%）的高纯钛制备长期以来被美、日等国垄断。高纯钛通常通过提纯海绵钛来得到。虽然近几年来有国内公司能够生产出5N高纯钛，但调研表明，高纯钛的实际生产却常受到海绵钛中杂质的困扰，尤其是杂质铝。海绵钛通常通过金属镁还原四氯化钛来得到。作者团队前期的研究表明，海绵钛中的杂质铝几乎全部遗传自金属镁。因此，有效控制金属镁中的杂质铝含量是生产低铝海绵钛，进而制备合格的电子级高纯钛的先决条件。然而，深入原镁企业的调研发现，硅热法生产的镁锭普遍存在杂质铝含量高、波动大的问题。
为了解决上述问题，单智伟研究团队与原镁生产的龙头企业密切合作，搜集整理了原镁生产中煅白（主原料，主要成分是氧化镁和氧化钙），硅铁（还原剂，主要成分是硅和铁）和萤石（催化剂，主要成分是CaF2）三种原材料的成分数据，计算统计了它们的铝含量占比和波动范围，然后利用热力学软件计算了煅白和硅铁中铝含量波动对还原产物的影响。出乎意料的是，在给定的还原条件下，煅白和硅铁中铝含量的大幅变化却不会引起气相生成物中铝含量的显著变化。更奇怪的是，计算的产物组成中，铝元素的含量显著低于其它杂质，如锰、硅等，与生产实际中观察到的现象完全不符。
通常来讲，催化剂只改变反应速率，不影响反应平衡，因此在前面的计算中并没有考虑催化剂萤石的影响。在排除煅白和硅铁的影响之后，作者团队抱着尝试的心态在原系统中加入了萤石，重新进行了计算。令人意外的是，他们发现气相产物中的铝含量大幅提高，超过了硅、锰含量，且铝的主要存在形式是一氟化铝气体（AlF）。为了验证计算结果的可靠性，作者团队设计了严格的对照实验，以添加/不添加萤石作为实验的唯一变量进行对照实验。实验结果确认了计算结果的可靠性——萤石的确是导致原镁中杂质铝含量高的“罪魁祸首”。此外，结合热力学分析和料球内各原料的大小和空间分布，作者团队分析了铝含量波动大的可能原因（图1），阐明了气态杂质铝进入结晶镁的方式。作者团队最后指出，可以通过减少甚至弃用萤石粉来制备具有超低铝杂质含量的金属原镁，进而制备出能满足高纯钛需求的具有超低铝杂质含量的海绵钛。
该研究以“Minimizing pest aluminum in magnesium for the production of high-purity titanium”为题在《Journal of Magnesium and Alloys》（简称JMA）上发表。根据科睿唯安发布的2021年度《期刊引证报告》，JMA最新影响因子为11.8，位居全球SCI收录的冶金与冶金工程类学术期刊第一位，JCR 1区，中科院1区。材料学院博士生杨博为本论文的第一作者，单智伟教授为本论文的通讯作者。参与该项工作的还有的吴戈教授、博士生郑芮和硕士生畅治民。
该研究得到了国家自科学基金重点项目、“1000吨/年3N5A级高品质镁示范线建设”等项目的共同资助，感谢泰达煤化，宁波创润新材料等公司以及府谷县政府的大力支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jma.2022.05.016
