双极电化学法电沉积镍铜二组分金属的研究

发布时间：2020-03-29 05:36

【摘要】：梯度合金材料作为一种功能型材料,其合成技术及应用逐渐成为一个研究热点。本论文的研究内容包括两个方面;一是采用新型的双极电极电沉积法制备镍铜成分梯度合金(Ni_xCu_(1-x)),研究其形貌演变及电催化析氢效果;二是根据双极电化学原理,自制双极电解池,探究并发展在线双极电极法对镍铜双组分重金属离子的分离和检测。使用分体式双极电极电沉积法在薄铜片基底上制备出成分及形貌丰富的Ni_xCu_(1-x)梯度合金,并沿着双极电极长度方向分布。选择场发射扫描电镜(FESEM)、高分辨透射电镜(HRTEM)、阴极电势扫描法及交流阻抗法研究合金成分及形貌与电催化析氢效果的关系。实验表明,通过FESEM观察发现,在整个电极沉积区,梯度合金的形貌由金字塔状(三棱锥)逐渐向枝叶状演变,最后形成纳米或微米球状。利用EDX对一系列Ni_xCu_(1-x)梯度合金电极中的元素进行分析,Ni原子的含量(x)从0到0.89不断变化。选择阴极电势扫描法对不同系列的合金电极在1.0M H_2SO_4溶液中进行电化学析氢性能测试,随着合金中Ni含量(x)的增加,相同电势下析氢反应的电流密度则先增加后降低,当x=0.61时具有最大的电流密度。在1.0M H_2SO_4溶液中的恒电流8h析氢稳定性测试表明,x=0.61的电极对析氢反应有明显的去极化作用。交流阻抗法测试表明,上述组成的合金电极具有最小的电荷传递电阻Rct和最大的双电层电容C_(dl)。实验表明,采用双极电沉积法可以高效地制备出具有丰富成分和形貌的合金材料,为电催化材料的高通量筛选提供丰富的样品。基于双极电极与电解质溶液之间存在的电势梯度,,采用分体式双极电极,对两种重金属离子Cu~(2+)、Ni~(2+)进行在线电沉积分离。根据双极电极的工作原理,我们自主设计了一个双极电极电解池,进行了大量的探究性实验。实验中,探究了双极电极材料、驱动电势、背景液的流速以及储液槽与微通道间的软管长度对两种金属离子分离检测的影响。同时,根据实验中出现的问题,不断优化双极电极电解池装置结构,解决了装置密封性差、流速不均匀、样品液注射困难等一系列问题。改进后的分体式双极电极电解池具有加工程序简单、结构可控、操作灵活等优势。但是,结合电化学工作站测试的i-t曲线,可以看出,调节驱动电势或软管长度,尚未能分离沉积出单个纯金属,金属离子在双极电极阴极片上沉积的位置总是靠近末端。因此,总结实验中所存在的问题,还需不断的探索研究。需要深入查阅资料了解微通道中的电场分布,设计合理的分体式双极电极电解池,从而在线成功分离双组分重金属离子。双极电极电沉积法能成功制备Ni_xCu_(1-x)成分梯度合金,并作为高通量电催化剂材料。双极电极与电化学工作站相结合,选择i-t法对分离过程中的电流变化进行实时检测记录,探索了一种新型的分离与检测方法。
【图文】：

双极电极,外电场,工作原理图,强度

图１．１双极电极的工作原理图，Ｅ代表的是施加的外电场强度逡逑Ｆｉｇ邋１．１邋Ｗｏｒｋｉｎｇ邋ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ邋ｏｆ邋ＢＰＥ．邋Ｅ，邋ｅｌｅｃｔｒｉｃ邋ｆｉｅｌｄ．逡逑由于双极电极没有与外部导线相连接，电极表面上的任一位置的电势差很难逡逑准确确定，；ＢＰＥ也很难直接测定，这对于该技术是一个与生俱来的挑战。测定双逡逑极电极的理论最大电势差ｚ￡ＢＰＥ，常用的方法如下［５７］：逡逑＾ＢＰＥ邋￣邋＾ｔｏｔ邋ｆｊ逦）逡逑＾ＣｈａｍｗＵ逡逑（ｌ．ｉ）逡逑这里，五ｔｅｌ为施加的驱动电势，／ＢＰＥ为双极电极的长度，／ｃｈａｎｎｅｌ为两个驱动电极之逡逑间的距离。通过这个公式，可以看出，，当两个驱动电极间的距离不变，浸入电解逡逑液中的导体的长度越长，则形成双极电极所需要的外加电场强度就越小。如果用逡逑一个微米或纳米颗粒作为双极电极，则所施加的电场强度就越大，数量级能达到逡逑１０００ｋＶ／ｍ［５８］。外部电场强度也与电解液的导电性直接相关，因此，电解液的组成逡逑是一个重要的影响因素：如果电解液导电性太高，导体的界面电势降将不足以引逡逑

双极电极,分体式,连续式,结构类型

１．４．４双极电极的结构类型逡逑很多文献报道的双极电极都是连续式的［７２，７３］，即它是由单一的导体组成，就逡逑像图１．２邋（ａ）所示。然而，也有两个或多个独立的电极组成一个双极电极，我们逡逑把它叫做分体式双极电极［７４］，如图１．２邋（ｂ）所示。分体式双极电极有着独特的用逡逑处，可以在微流体装置外连接一个电流表或者电压表，进行原位测量分体式双极逡逑电极上的工作电流或者电压。Ｎｙｈｏｌｍ和Ｋｌｅｔｔ等人很早就己经证实并测出穿过双逡逑极电极上的电流，他们利用电流表检测毛细管电泳中的双极电极上的电流［７５］。逡逑Ｎｙｈｏｌｍ和他的课题组还使用一个含有２０个Ａｕ微带阵列能同时检测具有不同电逡逑势的分析物［７６］。逡逑ａ）逡逑ＯＲ逦Ｏｒ邋Ｒｒ逡逑ＫＪ邋逦—．．．．．N考逡逑ａｎｏｄｉｃ邋ｐｏｌｅ邋逦—？邋ｃａｔｈｏｄｉｃ邋ｐｏｌｅ逡逑ｂ）逦ｏ邋ｒ逦ｒ逡逑图１．２常见的双极电极结构类型图，（ａ）为连续式双极电极，（ｂ）为分体式双极电极逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ｔｙｐｅｓ邋ｏｆ邋ＢＰＥ．邋（ａ）邋ｃｏｎｔｉｎｕｅ邋ＢＰＥ；邋（ｂ），邋ｓｅｐａｒａｔｅ邋ＢＰＥ．逡逑５逡逑
【学位授予单位】：合肥工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TQ153

【参考文献】