离子液体在金属铝制备中的应用

铝电解现状

目前工业上铝电解广泛使用的是高温电解法和Hall-Héroult法,这些方法优点是产量高,缺点则是电解温度高达850~900℃,高能耗、高污染。

采用离子液体进行铝的电沉积的优点

近几年,人们在对室温离子液体性质进行研究时发现,采用离子液体进行铝的电沉积具有很多优点,因为离子液体除具有其他溶剂的特点以外,还具有自身的一系列优越性,液体状态温度范围宽(−200~400 ℃);高热稳定性和高化学稳定性;电化学窗口较宽(3~5 … 阅读全文

半导体金属与材料在离子液体中的电沉积:镓、镓的砷化物、铟和锑、碲、锗

传统工艺下,半导体金属的电沉积基本都是在高真空条件下进行的。尽管能得到高质量的沉积物,但工艺造价高、费用大,因此迫切需要探索简单、经济的电沉积工艺。科学家发现,在水溶液中得到的产物质量和在真空条件下的得到的基本一致,但由于动力学的原因,这种方法不能直接得到CdTe和CdSe 等合金。目前关于利用离子液体电沉积半导体金属的报道很少,但这方面的研究将很有意义,这是因为:离子液体有较低的蒸汽压,温度变化的范围可达几百度,动力学上的障碍可以被克服;此外,离子液体较宽的电化学窗口还允许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导体材料。

镓可以从阴离子为AlCl3 的离子液体中电沉积得到。镓的电沉积只能在酸性条件下进行,在电沉积过程中Ga3+首先还原为Ga+,然后再还原为单质态Ga。在玻碳电极上,电沉积过程包含瞬间的三元成核和扩散控制的成核生长。此外,在氯化1-乙基-3-甲基咪唑和GaCl3 的混合液体中还得到了超细的GaAs。

镓的砷化物

Wicelinski 等在35~40℃下基于AlCl3 的酸性离子液体中电沉积得到了GaAs。Carpenter等在加入AsCl3 的GaCl3 离子液体中也得到了GaAs,但质量并不很好,不过可以通过热退火工艺改善合金的质量。

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常用金属与贵金属在离子液体中的电沉积:铜、银、镍、钴、 钯、金、锌、锡和铁

离子液体作为溶剂可以提炼所有在水中可以得到的金属。相对于水,离子液体还具备如下两点优势:一是金属质量更高,这是由于离子液体电化学窗口更宽,电沉积过程中副反应很少;二是离子液体的操作温度范围更宽,有利于研究温度变化对电沉积生成动力学的影响。

 铜和银

铜只能在酸性条件在基于AlCl3 的离子液体中的电沉积得到;CuⅡ在玻碳和钨电极上经过两步还原反应生成铜。在过电压下得到的是铜与铝的合金。在Au(111)上有三个欠电位过程,最后得到两个单分子层的Cu,厚度约为1nm。Chen等在含BF4-的离子液体中得到了Cu,其中在多晶铂电极上,有欠电位现象,而在多晶钨和玻碳电极上只有过电位现象。
电沉积的银也只能在酸性条件下才能得到。在玻碳和钨电极上为三元成核生长机理。在Au(111)电极上有欠电位现象。最近,Katayama 等报道了在含AgBF4的[EMIm]BF4 中电沉积得到Ag 的情况。

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Urea-ZnCl2离子液体中电沉积Zn-Ti合金

TiCl4的加入 对Urea-ZnCl2离子液体体系电化学行为有着积极的影响。

实验证实:Urea-ZnCl2离子液体加入TiCl4能够提高电导率,促进钛以Zn-Ti合金的形式沉积。在铜基体上进行恒电位沉积,可获得均匀致密的Zn-Ti合金层,且晶粒尺寸随沉积温度的升高而增大。从2AlCl3/Et3NHCl离子液体中电沉积制备Ni和Ni-Al合金采用离子液体电沉积技术直接将Ni-Al合金沉积到零部件的表面形成Ni-Al合金涂层,这样可以简化工序。2AlCl3/Et3NHCl离子液体相对于其它氯化铝型离子液体具有成本低、熔点低、电导率高等优势,这里进一步采用2AlCl3/Et3NHCl离子液体进行电沉积Ni-Al合金的研究,以探讨离子液体中电沉积Ni-Al合金应用于航空航天领域的耐热耐腐蚀的合金涂层的可能性。系统考察了电位、电流密度及Ni2+浓度对电沉积Ni-Al合金的组成及形貌的影响,并探讨了离子液体中电沉积Ni-Al合金的机理。在含Ni2+的2AlCl3/Et3NHCl离子液体中的铜电极上通过恒电位电沉积制备出金属Ni和Ni-Al合金。采用循环伏安和计时电流方法,揭示铜电极上沉积金属Ni的成核机理,研究了电沉积Ni-Al合金的机理,以及恒电位沉积Ni-Al合金工艺条件对沉积Ni-Al合金表面形貌和电流效率的影响。

结果表明:在铜电极上电沉积金属Ni的成核机理为受扩散控制的三维瞬时成核过程。在电量≥3.0 C … 阅读全文

Urea-NaCl-ZnCl2离子液体中电沉积Zn-Ti合金

目前Zn-Ti 合金镀层的工业制备手段常用热浸的方法,然而热浸镀的缺点也很多,比如:部件产生氢脆,能耗高、电流效率低、重污染等,这些不利因素严重制约了Zn-Ti 合金的发展。

随着离子液体科学的发展,我们发现离子液体其电化学窗口宽、蒸气压几乎可以忽略、热稳定性好、化学和电化学稳定性优良,这些优点克服了水溶液和高温熔盐电解的缺陷。刘成虎等人采用电化学方法研究urea-NaCl-ZnCl2-TiCl4 离子液体中Ti(Ⅳ)在玻碳电极的阴极还原过程,并应用恒电位沉积考察温度、电位和ZnCl2 … 阅读全文

BMIC-ZnCl2离子液体中电沉积铜-锌合金

王波等采用物质的量比为1∶2的BMIC-ZnCl2路易斯酸性离子液体电沉积Cu-Zn合金。采用恒电位法于低碳钢基体上进行了Cu-Zn合金电沉积实验。

研究CuCl的浓度﹑沉积电位、温度对Cu-Zn合金成分、形貌及电流效率的影响,并采用带X射线能量散射谱(EDS)的扫描电子显微镜(SEM)及X射线衍射仪对所得Cu-Zn合金沉积层的成分、表面形貌及物相进行分析。结果发现当温度为70℃时,电解液中Cu-Zn的浓度为0.2mol/l时,阴极沉积电位在-0.1v附近,可得到质量较好的Cu-Zn合金仿金镀层。他们研究了究CuCl的浓度﹑沉积电位、温度等参数对电流效率和Cu-Zn合金沉积层成分的影响,获得了进行Cu-Zn合金仿金镀的工艺参数,这对于实现高电流效率下成分可控的Cu-Zn电镀仿金具有重要意义。在含有0.2mol/l CuCl的物质的量比为1∶2的路易斯酸性BMIC-ZnCl2离子液体中,通过控制沉积电位在-0.1V附近、温度为70℃,在低碳钢基体上可电沉积得到颗粒尺寸较小、均匀的Cu-Zn仿金镀层。镀层的晶相为Cu-Zn合金。

离子液体中电沉积钛

工业化生产钛的方法目前有两种:第一种为生产成本很高的钠热还原法(Hunter 法)。因为更具成本优势,所以镁热还原法(Kroll 法)为目前的广泛的工业制造方法。

钛及其合金的低温电沉积极为有趣,然而钛有Ti2+, Ti3+,Ti4+,因此,其电沉积的电化学机理比铝和镁复杂得多。早在1990 … 阅读全文

离子液体在制镁工业中的应用

离子液体作为绿色溶剂在电沉积反应中无污染,无副反应,无腐蚀性,而且得到的金属质量更好,因而近年来在电沉积领域受到了越来越多的关注。

不过目前对于镁合金上的电镀及其镀层性能的研究报道还较少,将Alcl3一EMxmCI(氯化1一乙基一3一甲基咪哇珊离子液体作为溶剂,在Az91D镁合金上进行 电镀研究,可以获得了致密和结合良好的Al镀层。但是AIC13一EMImCI离子液体易吸水,电镀需在惰性气体保护下进行。

Bakkar等采用可在大气环境中操作的离子液体氯化胆碱一尿素作为溶剂,在镁合金上进行电镀Zn研究,但只在不含Al 的Mg-Re合金上获得了Zn层”Mg一Al系合金是镁合金中应用最广泛的一类,值得进一步研究Mg一Al系合金的电镀,而氯化胆碱一尿素离子液体在大气环境中稳定,且成本低和环保。采用氯化胆 … 阅读全文