超重力水溶液金屬鎳電沉積及極化反應(yīng)研究

1、中國科學(xué) E 輯: 技術(shù)科學(xué) 2007年 第37卷 第3期: 360369收稿日期: 2006-03-07; 接受日期: 2006-09-27國家自然科學(xué)基金資助項目(批準(zhǔn)號: 50674011 * E-mail: guozc中國科學(xué)雜志社SCIENCE IN CHINA PRESS 超重力水溶液金屬鎳電沉積及極化反應(yīng)研究郭占成* 盧維昌 鞏英鵬( 北京科技大學(xué)冶金與生態(tài)工程學(xué)院, 北京 100083; 中國科學(xué)院過程工程研究所, 北京 100080摘要 以電沉積鎳箔為例, 在離心力場條件下, 研究了超重力對水溶液金屬電沉積的影響. 結(jié)果表明超重力電沉積金屬鎳, 晶粒細(xì)化、韌性和抗拉強(qiáng)度顯著提

2、高; 雜質(zhì)元素H 含量減少, 但電效降低; 超重力場促進(jìn)析氫反應(yīng), 析氫過電位降低; 超重力場促進(jìn)溶液中離子傳質(zhì), 降低過電位, 提高極限電流密度; 對于離心力場超重力條件下的電沉積、電極反應(yīng)及材料組織性能還與慣性力和電流方向有關(guān), 慣性力與電流方向同向有利于獲得組織結(jié)構(gòu)致密性能更好的電沉積材料.關(guān)鍵詞 超重力 電化學(xué) 電沉積 鎳電化學(xué)科學(xué)已廣泛應(yīng)用于金屬材料制備和表面處理、氯堿生產(chǎn)和電解制氫等. 盡管近年 來電化學(xué)技術(shù)有了顯著進(jìn)步, 例如在電沉積技術(shù)方面, 發(fā)展了脈沖電沉積、超聲波輔助電沉積和噴射電沉積等技術(shù); 在氯堿和水電解技術(shù)方面, 采用活性電極材料提高電能轉(zhuǎn)化效率. 但迄今為止, 關(guān)于

3、重力場對電化學(xué)反應(yīng)及其應(yīng)用的影響尚不了解.此外, 隨著太空技術(shù)的發(fā)展, 在太空上制備某些材料將成為可能, 電化學(xué)沉積是其中的一種方法, 而目前大規(guī)模進(jìn)行太空實驗還不現(xiàn)實. 在太空實驗之前, 地面上進(jìn)行超重力實驗是必要的, 通過不同重力的實驗結(jié)果可預(yù)測微重力條件下的結(jié)果.因此, 超重力條件下的電化學(xué)反應(yīng)研究受到了重視. 1999年, Atobe 等人1首先報道了超重力條件對電沉積聚苯胺膜的形成速度及其性能有顯著影響; 2003年Cheng 等人2報道了超重力下水電解可顯著降低過電位; 2004年Atobe 等人3又報道了超重力電沉積芳香族聚合物具有優(yōu)良的性能; 2004年Eftekhari 4報

4、道了超重力條件下電沉積聚必咯(polypyrrole膜具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性; 最近, 我們在超重力條件下進(jìn)行了鎳基體化學(xué)鍍銅的實驗, 鍍膜生長速度隨超重力系數(shù)增大而顯著增大, 在1500 g 時, 其生長速度是常重力條件下的3倍多5. 這些研究成果初步顯示了重力場對電化學(xué)反應(yīng)及其材料性能有顯著影響. 然而, 由于實驗設(shè)備和技術(shù)的限制, 至今對其還沒有深入的科學(xué)認(rèn)識.第3期郭占成等:超重力水溶液金屬鎳電沉積及極化反應(yīng)研究361發(fā)射航天器在加速階段雖然可獲得超重力, 但時間短、不穩(wěn)定, 難于進(jìn)行系統(tǒng)的科學(xué)實驗. 地面上離心力場作用下, 可獲得穩(wěn)定可控的超重力條件, 是進(jìn)行超重力電化學(xué)實驗的理想

5、方法. 本研究在離心力場超重力條件下, 進(jìn)行了電沉積鎳箔以及水溶液的電極反應(yīng)研究, 以期認(rèn)識重力場對電解電化學(xué)反應(yīng)的影響作用, 對于水電解制氫、氯堿和電鍍(或電鑄技術(shù)發(fā)展有借鑒作用.1實驗方法1.1超重力反應(yīng)器為實現(xiàn)超重力環(huán)境, 將醫(yī)用離心機(jī)經(jīng)改裝后使之適合進(jìn)行電沉積實驗, 如圖 1. 當(dāng)離心力遠(yuǎn)大于重力時, 重力可以忽略不計, 超重力系數(shù)可表示為G = 2r/g = n22r/900g,其中n為離心機(jī)轉(zhuǎn)速(單位: r/min, 轉(zhuǎn)速為0, 即為常重力, 超重力系數(shù)G = 0; r為電極距轉(zhuǎn)軸距離(單位: m, 本實驗中, r =0.11 m; g為重力加速度, g= 9.8 m/s2. 圖1

6、 超重力電沉積實驗裝置示意圖1.2電沉積金屬鎳箔采用容積為100 cm3圓柱形塑料電解槽, 純鈦板陰極面積為5.5 cm2, 陽極為面積略小、象形型純鎳板, 陰陽極極距18 mm. 電解液組成為NiSO4·6H2O 300 g/L, NiCl2·6H2O 30 g/L, H3BO3 40 g/L, C12H25NaO4S 0.5 g/L, C6H4CONHSO2 0.25 g/L, CoSO4 0.25 g/L. 控制電解液pH 值為2.42.5, 溫度為40左右, 控制電沉積電流密度在0.070.122 A/cm2范圍內(nèi)某一恒定值. 通過改變離心機(jī)轉(zhuǎn)速營造不同的超重力條件

7、, 并通以恒電流直流電進(jìn)行電沉積. 電沉積一定時間之后, 從陰極上剝離鎳箔, 所得鎳箔樣品經(jīng)水洗、風(fēng)干后稱重并測量其厚度, 采用對折法對其韌性(180°折疊次數(shù)粗略評估, 若干樣品送檢分析其H含量、掃描電子顯微鏡觀察其表面形貌以及X射線衍射(XRD分析其組成結(jié)構(gòu).1.3電極反應(yīng)測試電化學(xué)極化研究在同一電解槽中采用了雙電極體系, 研究電極(WE是一面積僅為0.02 cm2的鉑金絲, 大面積(6.6 cm2鉑金片的對電極(CE可同時充作參比電極(RE, 在感興趣的極化電流研究范圍內(nèi), 對電極(參比電極上僅產(chǎn)生可忽略的極小的極化電流密度, 從而可保證其362中國科學(xué)E輯技術(shù)科學(xué)第37卷不會

8、明顯偏離平衡電極電位而維持穩(wěn)定, 在不同體系和不同條件下采用CHI604B電化學(xué)分析儀進(jìn)行了線性掃描和循環(huán)伏安實驗, 數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性和可靠性得到了證實.所用主要實驗及檢測儀器有ZDA硅整流電鍍電源, CHI604B電化學(xué)分析儀, JEOL JSM6700F電子顯微鏡觀察鎳箔表面形貌, RIGAKU D/max-RB 掃描分析鎳箔晶體結(jié)構(gòu), RH-402氫分析儀測定鎳箔H含量.2電沉積鎳箔實驗結(jié)果及討論電流密度為0.1 A/cm2的恒電流電沉積, 慣性力方向與電流方向反向時, 即陰極表面背向離心機(jī)旋轉(zhuǎn)方向, 不同超重力系數(shù)下電沉積15 min, 所得實驗結(jié)果列于表1. 當(dāng)慣性力方向與電流方向同向時

9、, 即陰極表面面向離心機(jī)旋轉(zhuǎn)方向, 其他條件與前述一致, 所得實驗結(jié)果列于表2.表1 慣性力與電流反向時超重力系數(shù)對電沉積鎳箔的影響實驗條件實驗結(jié)果序號轉(zhuǎn)速/r·min超重力系數(shù)箔重量/g 箔厚度/µm電效/%H含量(×10 韌性/折疊次數(shù)2 63 10 0 0 0.146 28.099.2 57 41 500 31 0.140 23.2 95.2 1000 123 0.132 21.8 89.7 50 77 45 103 1500 276 0.129 22.6 87.0 41 124 2000 492 0.128 21.2 87.表2 慣性力與電流同向時超重力系

10、數(shù)對電沉積鎳箔的影響實驗條件實驗結(jié)果序號轉(zhuǎn)速/r·min1超重力系數(shù)箔重量/g 箔厚度/µm電效/% H含量(×106 韌性/折疊次數(shù)0 0 0 0.145 28.3 98.5 65 27 51 71 500 31 0.136 24.0 92.2 1000 123 0.130 22.7 88.3 42 203 1500 276 0.130 22.8 88.3 37 294 2000 492 0.128 21.7 86.8 34 38從表1和2可見, ( 隨超重力系數(shù)加大, 鎳沉積厚度減小, 鎳沉積陰極電流效率下降; ( 隨超重力系數(shù)加大, 成型之鎳箔韌性提高; (

11、 當(dāng)慣性力場與直流電場同方向時, 鎳箔韌性顯著提高; ( 隨超重力系數(shù)加大, 成型之鎳箔H含量降低.將不同條件下電沉積鎳箔H含量及韌性實驗數(shù)據(jù)繪制成為圖2和3, 更清楚地看到超重力場對所研究體系鎳箔電沉積的奇特影響. 隨超重力系數(shù)增大, 電效降低的同時, 箔材韌性顯著提高, 而且當(dāng)慣性力與電場同向時, 有助于箔材韌性進(jìn)一步顯著提高; 箔材H含量隨超重力系數(shù)增大而顯著降低, 這可能是箔材韌性提高的主要原因之一.圖4所示是慣性力與電流方向反向及電流密度為0.1 A/cm2時, 不同超重力系數(shù)下電沉積約50 µm厚鎳箔的抗拉強(qiáng)度和維氏硬度. 隨著超重力系數(shù)的增加, 電沉積鎳箔的抗拉強(qiáng)度和硬

12、度顯著提高. 在我們先前的研究工作中6, 為了提高鎳箔的強(qiáng)度, 曾采用強(qiáng)制對流大電流密度(電解液相對于極板平行流速01.2 m/s, 電流密度0.10.9 A/cm2和超聲波輔助電沉積實驗, 所得鎳箔抗拉強(qiáng)度均小于1000 MPa, 實驗測得50 µm厚的冷軋鎳箔抗拉強(qiáng)度為540 MPa, 維氏硬度為176, 本實驗在超重力系數(shù)G =492時, 鎳箔抗拉強(qiáng)度達(dá)1190 MPa, 維氏硬度達(dá)312. 由此可見, 超重力電沉積是一種提高鎳箔抗拉強(qiáng)度和硬度的重要方法.第3期郭占成等:超重力水溶液金屬鎳電沉積及極化反應(yīng)研究363 圖2 超重力系數(shù)、電流與慣性力方向?qū)Τ练e箔氫含量的影響 圖3

13、超重力系數(shù)、電流與慣性力方向?qū)Τ练e箔韌性的影響圖5是電流密度為0.1 A/cm2時電沉積鎳箔表面的SEM形貌. 結(jié)果顯示: ( 相對于常重力條件, 超重力條件下電沉積鎳箔表面光潔、晶粒均勻、致密、缺陷少; ( 晶粒大小隨著超重力系數(shù)加大而減小; ( 慣性力與電流方向同向時, 電沉積鎳箔晶粒進(jìn)一步細(xì)化, 組織結(jié)構(gòu)更加致密. 超重力條件下電沉積鎳箔晶粒細(xì)化以及結(jié)構(gòu)致密是提高其韌性、抗拉強(qiáng)度和硬度的另一主要原因.364中國科學(xué)E輯技術(shù)科學(xué)第37卷 圖4 超重力系數(shù)對電沉積鎳箔抗拉強(qiáng)度和硬度的影響 圖5 超重力系數(shù)和電流方向?qū)Τ练e鎳箔表面形貌的影響(a 電流方向與慣性力同向時, 不同超重力系數(shù)條件電沉

14、積鎳箔的低倍顯微圖像; (b 電流方向與慣性力同向時, 不同超重力系數(shù)條件電沉積鎳箔的高倍顯微圖像; (c 電流方向與慣性力反向時, 不同超重力系數(shù)條件電沉積鎳箔的高倍顯微圖像圖6表示了不同超重力系數(shù)下所得鎳箔的XRD分析結(jié)果, 其鎳箔樣品制備條件是慣性力與電流方向反向及電流密度為0.1 A/cm2. 電沉積的鎳晶體呈面心立方結(jié)構(gòu), 晶面衍射峰隨超重力系數(shù)增大而變寬, 而且衍射峰隨超重力系數(shù)的增大而右移并變寬, 例如當(dāng)超重力系數(shù)為492時, 電沉積鎳晶體(111面、(200面和(220面衍射峰所對應(yīng)的衍射角分別是44.57°, 51.84°和76.61°, 常重力

15、條件下電沉積的鎳晶體(111面、(200面和(220面衍射峰所對應(yīng)的衍射角分第3期郭占成等:超重力水溶液金屬鎳電沉積及極化反應(yīng)研究365別是43.83°, 51.08°和75.20°, 而標(biāo)鎳晶體(111面、(200面和(220面衍射峰所對應(yīng)的衍射角分別是44.5°, 51.8°和76.4°7. 由此可見, 超重力條件下電沉積鎳晶體缺陷小. 超重力系數(shù)增大, 衍射峰變寬, 這意味著一次晶粒大小隨超重力系數(shù)增大而減小. 根據(jù)Scherrer公式可以粗略估算一次晶粒的大小, 以垂直于晶面(200方向的一次晶粒平均厚度為例, 當(dāng)超重力系數(shù)分

16、別為0, 31, 123, 276和492時, 對應(yīng)的一次晶粒尺寸分別為19, 15, 13, 9和8 nm. 雖然用Scherrer公式估算的晶粒大小有一定誤差, 但定性上可以說明超重力有細(xì)化晶粒的作用. 圖6 不同超重力系數(shù)電沉積鎳箔的XRD圖對鎳箔晶體結(jié)構(gòu)的影響對上述實驗結(jié)果可作如下初步分析: 金屬電沉積時電流效率的降低不外乎產(chǎn)物的損失和副反應(yīng)的參與, 實驗中對產(chǎn)品的剝離和收集是完整的, 電解質(zhì)溶液的配制是采用了高純?nèi)ルx子水和分析純化學(xué)試劑, 除氫之外雜質(zhì)的放電可以忽略, 因此造成電流效率降低的唯一原因可能是氫的析出, 在超重力環(huán)境下有可能使析氫超電壓降低, 導(dǎo)致伴隨析鎳的析氫副反應(yīng)加劇

17、; 且超重力系數(shù)越大, 析氫副反應(yīng)越嚴(yán)重, 因而陰極析鎳電流效率隨超重力系數(shù)增加而下降. 另一方面, 離心超重力又促使陰極析出的氫氣快速脫離電極表面, 使晶粒生長條件改善, 從而減少晶粒缺陷, 并降低鎳中的氫雜質(zhì)含量, 提高了鎳箔的韌性. 當(dāng)慣性力與直流電場同方向時, 進(jìn)一步強(qiáng)化了副反應(yīng)產(chǎn)物氫氣與電極表面的分離, 更有利于電結(jié)晶的穩(wěn)步生長, 減小由于晶格扭曲和缺陷造成的應(yīng)力, 從而顯著提高韌性. 超重力系數(shù)越大, 固-液界面張力越小, 晶核的形成自由能就越小, 形核速度增加, 因此晶粒尺寸隨超重力系數(shù)增加而減小, 晶粒細(xì)化是提高鎳箔力學(xué)性能的另一主要原因.3極化實驗結(jié)果與討論由于目前常用的標(biāo)準(zhǔn)

18、液體參比電極不能用于離心超重力下的極化測試(由于密度差, 參比電極液體會流入被測電解質(zhì)溶液, 本實驗采用面積僅為0.02 cm2的鉑金絲作研究電極、大面積(6.6 cm2鉑金片作為對電極同時作參比電極的雙電極體系, 在感興趣的極化電流研究范圍內(nèi), 對電極(參比電極上僅產(chǎn)生可忽略的極小的極化電流密度, 從而可保證其不會明顯偏離平衡電極電位而維持穩(wěn)定. 雙電極體系極化測定時, 無論陰極或陽極極化, 大面積對電極極化電位可以維持趨近平衡電極電位而相對穩(wěn)定, 雖然會有極小極化電流通過, 與嚴(yán)格意義上的參比電極不同, 其表面會有氧化膜或氣膜產(chǎn)生, 但當(dāng)能夠維持電化學(xué)窗口基本不變時, 所獲取的一些極化研究

19、結(jié)果作為對比實驗是可信的. 此外, 我們關(guān)心的只是通常重力和超重力條件下366中國科學(xué)E輯技術(shù)科學(xué)第37卷電極過程的差異, 所以通過對比分析的結(jié)論是可靠的.著重點集中于氫放電, 從1.402.10 V, 0.5 mol/L H2SO4溶液中, 在不同重力條件下以5 mV/s的慢掃描速度, 進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)線性極化曲線測定, 結(jié)果如圖7. 從圖7中看出, 在線性極化區(qū)超重力降低了反應(yīng)內(nèi)電阻, 在常重力條件下反應(yīng)內(nèi)電阻R r為4.617 , 當(dāng)超重力系數(shù)為123, 電流方向與慣性力反向或同向時反應(yīng)內(nèi)電阻分別為4.063和4.024 , 電流與慣性力的相對方向?qū)Ψ磻?yīng)內(nèi)電阻影響不大, 3種條件下相應(yīng)的交換電

20、流密度i o分別為5.63×103, 6.40×103和6.46×103 A/cm2; 只有當(dāng)陰極極化電位進(jìn)一步增大時, 超重力才明顯增大了極化電流. 在0.1 A/cm2的陰極極化電流密度和超重力系數(shù)G =123時, 析氫超電壓較常重力降低了約70 mV; 在電極電壓為1.942.0 V, 超重力下極化電流為常重力條件下的2.22.5倍. 以鎳絲為研究電極(陰極或HCl溶液作電解質(zhì), 得到了類似的結(jié)果. 以上實驗說明超重力對氫離子電子轉(zhuǎn)移無顯著影響, 而涉及氫核產(chǎn)生和氣泡溢出時, 超重力是有促進(jìn)作用的. 圖7 不同超重力系數(shù)下的析氫伏安曲線為明確超重力對鎳離子的

21、電化學(xué)反應(yīng)是否有影響, 進(jìn)行了如下實驗: 在0.5 mol/L的H2SO4溶液中, 加入0.0454 mol/L的Ni2SO4, 作循環(huán)伏安掃描測定. 結(jié)果發(fā)現(xiàn)在0.4 V附近出現(xiàn)一個很小的還原峰, 而且峰電流大小與鎳離子濃度有關(guān), 表明這是二價鎳離子的還原峰. 選擇適當(dāng)電勢范圍(+0.71.0 V, 對于H2SO4(0.5 mol/L-NiSO4(0.0454 mol/L的溶液進(jìn)行了常重力和超重力條件下不同掃描速度循環(huán)伏安測定, 結(jié)果如圖8和9. 從圖8鎳離子的還原峰可見, 在常重力時: ( 峰電位與掃描速度無關(guān); ( 峰電流i p隨掃描速度增大而變大; ( 每次陰極極化后再回掃時會出現(xiàn)明顯

22、的負(fù)向遲滯回線, 這些特征表明在所研究的極化范圍內(nèi)鎳離子還原速度受擴(kuò)散控制, 并為可逆過程.超重力條件下的循環(huán)伏安曲線雖然較復(fù)雜, 但在較低掃描速度時仍呈現(xiàn)擴(kuò)散控制特點的電流峰值. 峰電流i p亦隨掃描速度增大而變大, 與掃描速度的二次方根v1/2成直線關(guān)系, 如圖10. 與常重力條件下相比, 相同掃描速度時峰電流明顯增大, 而且峰電壓隨掃描速度增大而向第3期郭占成等:超重力水溶液金屬鎳電沉積及極化反應(yīng)研究367負(fù)向偏移, 說明了過程不可逆性的出現(xiàn). 電流的振蕩表明此時似乎有氣體的釋放, 但這種推斷需要進(jìn)一步的實驗證實. 圖8 常重力條件下硫酸鎳溶液在不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線 圖9 超重力

23、條件下硫酸鎳溶液在不同掃描速度下的循環(huán)伏安曲線G =123根據(jù)Randles-Sevcik公式8:i p = 0.446 (nF3/2/(RT1/2D1/2v1/2C,其中i p為峰電流密度, n為電子轉(zhuǎn)移數(shù), F為法拉第常數(shù), R為氣體常數(shù), D為擴(kuò)散系數(shù), v為掃描速度, C為離子濃度.對常重力條件和超重力條件鎳離子的擴(kuò)散系數(shù)變化做定量對比, 發(fā)現(xiàn)在超重力場中鎳離子擴(kuò)散系數(shù)有超過10倍的增長, 當(dāng)然此值存在一定誤差, 因為峰電流包含有析氫電流的貢獻(xiàn). 雖然這只是一個近似的結(jié)果, 但是仍然可以定性地確定超重力對鎳離子的擴(kuò)散有顯著的促進(jìn)作用. 圖11是固定掃描速度, 上述電解液體系在不同重力系

24、數(shù)下的循環(huán)伏安曲線比較, 可以更進(jìn)一步說明超重力顯著地促進(jìn)了鎳離子的擴(kuò)散.368 中國科學(xué) E 輯 技術(shù)科學(xué) 第37卷 4 電極表面氣泡形成及逸出分析水溶液金屬電沉積一般伴隨著氣體析出的電極副反應(yīng), 氯解和水電解制氫等是以氣體析出為主的電極反應(yīng). 電極表面氣泡的形成和逸出是影響電極反應(yīng)超電壓的主要因素之一, 對于金屬電沉積, 還影響其氣體雜質(zhì)含量. 電極表面氣泡生成的形核功:23*2300(1444433V V P G gh G r r G r r G P +=+=+, 其中r 為氣泡半徑, 為氣體-溶液界漲力, P 0為環(huán)境壓力, 為溶液密度, g 為重力常數(shù), G 為超重力系數(shù), G V

25、為電極上吸附的氫原子H ad 生成單位標(biāo)準(zhǔn)體積氫氣H 2的能量變化. 圖10 不同重力下峰電流與掃描速度關(guān)系 圖11 不同重力場中掃描速度為60 mV/s 時電流-電位極化曲線將上式對半徑求導(dǎo), 并令/0G r =, 得到臨界氣泡生成半徑:*002(1V P r G P G gh=+. 對于低濃度水溶液體系, 當(dāng)超重力系數(shù)G =0時, 即常重力條件下, 氣核形成臨界半徑:*02/V r G , 而在超重力條件下, 氣核形成臨界半徑:*02/(10.1/(10.1G V r Gh G r Gh +=+.當(dāng)溶液深度為0.1 m 和超重力系數(shù)為1000時, *00.1G r r , 可見超重力條件下

26、氣泡臨界形核半徑顯著降低. 由于氣泡臨界形核半徑的降低, 析氫反應(yīng)更容易進(jìn)行. 此外, 從電極產(chǎn)生的氣泡脫離電極表面, 對于同樣大小的氣泡, 超重力條件下氣泡所受浮力是常重力的G 倍, 即超重力條件下氣泡更容易逸出. 從另一方面來說, 電極產(chǎn)生等量氣體, 超重力條件下其體積僅為常重力的1/G . 上述諸多因素都說明, 電沉積金屬生長面與溶液接觸情況要比常重力條件好得多, 這不僅是氫析出超電位降低的原因, 也是晶體生長缺陷少的原因.圖12(a表示了離心力場條件下, 溶液中的氣泡運動速度. 溶液中的氣泡不僅沿圓周方向運動, 而且由于受浮力作用, 向圓心方向運動, 因此它的運動速度方向與圓周不成切線

27、, 而是割線, 加速度方向不是向著圓心, 而是偏離圓心. 當(dāng)氣泡生成面面向旋轉(zhuǎn)方向時, 氣泡很容易與析出面脫離, 其運動軌跡如圖12(b, 氣泡與其生成面的接觸時間很短.當(dāng)氣泡生成面背向第3期郭占成等:超重力水溶液金屬鎳電沉積及極化反應(yīng)研究369旋轉(zhuǎn)方向時, 只有當(dāng)氣泡上浮距離大于其生成面高度時, 氣泡才脫離其析出面, 其運動軌跡如圖12(c, 與前一種情況相比, 氣泡與其生成面的接觸時間較長. 當(dāng)然, 由于離心力的作用, 氣泡上浮速度也很快, 氣泡與其生成面的接觸時間要比靜止條件下小得多. 因此離心力場條件下電沉積金屬箔氫含量低, 且當(dāng)電場與旋轉(zhuǎn)方向同向時, 即慣性力與電場同向時, 電沉積金

28、屬鎳中氫含量更低.如上關(guān)于電極表面氣泡形成及逸出分析, 也可以定性解釋圖7的不同超重力系數(shù)和不同電流方向時的析氫伏安曲線測試結(jié)果. 圖12 離心超重力條件下電極表面氣泡動力軌跡(a 溶液中氣泡運動速度; (b 氣泡生成表面面向旋轉(zhuǎn)方向時的氣泡運動軌跡; (c 氣泡生成表面背向旋轉(zhuǎn)方向時的氣泡運動軌跡5結(jié)論重力場對電化學(xué)電極過程有著顯著的影響, 本研究表明: ( 超重力場促進(jìn)析氫反應(yīng), 超重力系數(shù)越大, 析氫反應(yīng)越快, 析氫過電位越小; ( 超重力場促進(jìn)溶液中離子傳質(zhì), 在相同電流密度條件下, 電解池電壓隨超重力系數(shù)增大而降低; ( 超重力條件電沉積鎳箔, 鎳箔晶粒尺寸和氫含量隨超重力系數(shù)增大而減小, 材料組織缺陷顯著減小, 韌性顯著提高; ( 對于離心力場超重力環(huán)境條件下的電沉積, 電極反應(yīng)及材料組織結(jié)構(gòu)還與慣性力和電流方向有關(guān), 慣性力與電流方向同向有利于獲得組織結(jié)構(gòu)致密的電沉積材料. 總之, 超重力條件對電化學(xué)反應(yīng)及材料性能有顯著影響, 超重力場條件下有可能制備出一些優(yōu)異性能的電沉積材料.參考文獻(xiàn)1 Atobe M, Hitose S, Nonaka T. Chemistry in centrif