離子液體在金屬鋁制備中的應用

鋁電解現狀

目前工業上鋁電解廣泛使用的是高溫電解法和Hall-Héroult法,這些方法優點是產量高,缺點則是電解溫度高達850~900℃,高能耗、高污染。

采用離子液體進行鋁的電沉積的優點

近幾年,人們在對室溫離子液體性質進行研究時發現,采用離子液體進行鋁的電沉積具有很多優點,因為離子液體除具有其他溶劑的特點以外,還具有自身的一系列優越性,液體狀態溫度范圍寬(?200~400 ℃);高熱穩定性和高化學穩定性;電化學窗口較寬(3~5 … 閱讀全文

半導體金屬與材料在離子液體中的電沉積:鎵、鎵的砷化物、銦和銻、碲、鍺

傳統工藝下,半導體金屬的電沉積基本都是在高真空條件下進行的。盡管能得到高質量的沉積物,但工藝造價高、費用大,因此迫切需要探索簡單、經濟的電沉積工藝??茖W家發現,在水溶液中得到的產物質量和在真空條件下的得到的基本一致,但由于動力學的原因,這種方法不能直接得到CdTe和CdSe?等合金。目前關于利用離子液體電沉積半導體金屬的報道很少,但這方面的研究將很有意義,這是因為:離子液體有較低的蒸汽壓,溫度變化的范圍可達幾百度,動力學上的障礙可以被克服;此外,離子液體較寬的電化學窗口還允許得到在水溶液中不可能得到的GaAs、InP?等合金以及三元混合半導體材料。

鎵可以從陰離子為AlCl3?的離子液體中電沉積得到。鎵的電沉積只能在酸性條件下進行,在電沉積過程中Ga3+首先還原為Ga+,然后再還原為單質態Ga。在玻碳電極上,電沉積過程包含瞬間的三元成核和擴散控制的成核生長。此外,在氯化1-乙基-3-甲基咪唑和GaCl3?的混合液體中還得到了超細的GaAs。

鎵的砷化物

Wicelinski?等在35~40℃下基于AlCl3?的酸性離子液體中電沉積得到了GaAs。Carpenter等在加入AsCl3?的GaCl3?離子液體中也得到了GaAs,但質量并不很好,不過可以通過熱退火工藝改善合金的質量。

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常用金屬與貴金屬在離子液體中的電沉積:銅、銀、鎳、鈷、 鈀、金、鋅、錫和鐵

離子液體作為溶劑可以提煉所有在水中可以得到的金屬。相對于水,離子液體還具備如下兩點優勢:一是金屬質量更高,這是由于離子液體電化學窗口更寬,電沉積過程中副反應很少;二是離子液體的操作溫度范圍更寬,有利于研究溫度變化對電沉積生成動力學的影響。

?銅和銀

銅只能在酸性條件在基于AlCl3?的離子液體中的電沉積得到;CuⅡ在玻碳和鎢電極上經過兩步還原反應生成銅。在過電壓下得到的是銅與鋁的合金。在Au(111)上有三個欠電位過程,最后得到兩個單分子層的Cu,厚度約為1nm。Chen等在含BF4-的離子液體中得到了Cu,其中在多晶鉑電極上,有欠電位現象,而在多晶鎢和玻碳電極上只有過電位現象。
電沉積的銀也只能在酸性條件下才能得到。在玻碳和鎢電極上為三元成核生長機理。在Au(111)電極上有欠電位現象。最近,Katayama?等報道了在含AgBF4的[EMIm]BF4?中電沉積得到Ag?的情況。

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Urea-ZnCl2離子液體中電沉積Zn-Ti合金

TiCl4的加入 對Urea-ZnCl2離子液體體系電化學行為有著積極的影響。

實驗證實:Urea-ZnCl2離子液體加入TiCl4能夠提高電導率,促進鈦以Zn-Ti合金的形式沉積。在銅基體上進行恒電位沉積,可獲得均勻致密的Zn-Ti合金層,且晶粒尺寸隨沉積溫度的升高而增大。從2AlCl3/Et3NHCl離子液體中電沉積制備Ni和Ni-Al合金采用離子液體電沉積技術直接將Ni-Al合金沉積到零部件的表面形成Ni-Al合金涂層,這樣可以簡化工序。2AlCl3/Et3NHCl離子液體相對于其它氯化鋁型離子液體具有成本低、熔點低、電導率高等優勢,這里進一步采用2AlCl3/Et3NHCl離子液體進行電沉積Ni-Al合金的研究,以探討離子液體中電沉積Ni-Al合金應用于航空航天領域的耐熱耐腐蝕的合金涂層的可能性。系統考察了電位、電流密度及Ni2+濃度對電沉積Ni-Al合金的組成及形貌的影響,并探討了離子液體中電沉積Ni-Al合金的機理。在含Ni2+的2AlCl3/Et3NHCl離子液體中的銅電極上通過恒電位電沉積制備出金屬Ni和Ni-Al合金。采用循環伏安和計時電流方法,揭示銅電極上沉積金屬Ni的成核機理,研究了電沉積Ni-Al合金的機理,以及恒電位沉積Ni-Al合金工藝條件對沉積Ni-Al合金表面形貌和電流效率的影響。

結果表明:在銅電極上電沉積金屬Ni的成核機理為受擴散控制的三維瞬時成核過程。在電量≥3.0 C … 閱讀全文

Urea-NaCl-ZnCl2離子液體中電沉積Zn-Ti合金

目前Zn-Ti 合金鍍層的工業制備手段常用熱浸的方法,然而熱浸鍍的缺點也很多,比如:部件產生氫脆,能耗高、電流效率低、重污染等,這些不利因素嚴重制約了Zn-Ti 合金的發展。

隨著離子液體科學的發展,我們發現離子液體其電化學窗口寬、蒸氣壓幾乎可以忽略、熱穩定性好、化學和電化學穩定性優良,這些優點克服了水溶液和高溫熔鹽電解的缺陷。劉成虎等人采用電化學方法研究urea-NaCl-ZnCl2-TiCl4 離子液體中Ti(Ⅳ)在玻碳電極的陰極還原過程,并應用恒電位沉積考察溫度、電位和ZnCl2 … 閱讀全文

BMIC-ZnCl2離子液體中電沉積銅-鋅合金

王波等采用物質的量比為1∶2的BMIC-ZnCl2路易斯酸性離子液體電沉積Cu-Zn合金。采用恒電位法于低碳鋼基體上進行了Cu-Zn合金電沉積實驗。

研究CuCl的濃度﹑沉積電位、溫度對Cu-Zn合金成分、形貌及電流效率的影響,并采用帶X射線能量散射譜(EDS)的掃描電子顯微鏡(SEM)及X射線衍射儀對所得Cu-Zn合金沉積層的成分、表面形貌及物相進行分析。結果發現當溫度為70℃時,電解液中Cu-Zn的濃度為0.2mol/l時,陰極沉積電位在-0.1v附近,可得到質量較好的Cu-Zn合金仿金鍍層。他們研究了究CuCl的濃度﹑沉積電位、溫度等參數對電流效率和Cu-Zn合金沉積層成分的影響,獲得了進行Cu-Zn合金仿金鍍的工藝參數,這對于實現高電流效率下成分可控的Cu-Zn電鍍仿金具有重要意義。在含有0.2mol/l CuCl的物質的量比為1∶2的路易斯酸性BMIC-ZnCl2離子液體中,通過控制沉積電位在-0.1V附近、溫度為70℃,在低碳鋼基體上可電沉積得到顆粒尺寸較小、均勻的Cu-Zn仿金鍍層。鍍層的晶相為Cu-Zn合金。

離子液體電沉積金屬合金

目前,已有出多種金屬及合金可以在離子液體中電沉積.

Sun等在鋅合金方面做了大量工作, 在EMICE-ZnCl2離子液體體系中電沉積出Zn-Sn、Zn-Cd、Zn-Co等合金。這些研究還表明,通過調整溫度、槽電壓等電沉積條件可改變合金成分。

離子液體中電沉積鈦

工業化生產鈦的方法目前有兩種:第一種為生產成本很高的鈉熱還原法(Hunter 法)。因為更具成本優勢,所以鎂熱還原法(Kroll 法)為目前的廣泛的工業制造方法。

鈦及其合金的低溫電沉積極為有趣,然而鈦有Ti2+, Ti3+,Ti4+,因此,其電沉積的電化學機理比鋁和鎂復雜得多。早在1990 … 閱讀全文

離子液體在制鎂工業中的應用

離子液體作為綠色溶劑在電沉積反應中無污染,無副反應,無腐蝕性,而且得到的金屬質量更好,因而近年來在電沉積領域受到了越來越多的關注。

不過目前對于鎂合金上的電鍍及其鍍層性能的研究報道還較少,將Alcl3一EMxmCI(氯化1一乙基一3一甲基咪哇珊離子液體作為溶劑,在Az91D鎂合金上進行 電鍍研究,可以獲得了致密和結合良好的Al鍍層。但是AIC13一EMImCI離子液體易吸水,電鍍需在惰性氣體保護下進行。

Bakkar等采用可在大氣環境中操作的離子液體氯化膽堿一尿素作為溶劑,在鎂合金上進行電鍍Zn研究,但只在不含Al 的Mg-Re合金上獲得了Zn層”Mg一Al系合金是鎂合金中應用最廣泛的一類,值得進一步研究Mg一Al系合金的電鍍,而氯化膽堿一尿素離子液體在大氣環境中穩定,且成本低和環保。采用氯化膽 … 閱讀全文