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江蘇東華分析儀器有限公司

實驗分享‖利用序列實驗方法研究銀銅合金的電沉積

時間:2024-2-22 閱讀:1565
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序列實驗

序列實驗是通過合理的設(shè)計,將多個基本的電化學(xué)方法優(yōu)化組合,來實現(xiàn)更高要求的電化學(xué)實驗技術(shù)。通過一系列有序的實驗步驟,逐步調(diào)整一個或多個參數(shù)或條件,對實驗體系的行為和性質(zhì)進行系統(tǒng)研究。DH7000系列產(chǎn)品具有好的靈活性,能夠?qū)崿F(xiàn)各種電化學(xué)方法的自由組合,為序列實驗提供了有力支持。

在本實驗實例中,我們首先利用恒電流電沉積(CP)技術(shù)將金屬離子沉積到基底上。隨后,通過正向線性掃描(LSV)技術(shù),使沉積的金屬離子發(fā)生氧化并溶出。通過巧妙地將這兩種方法結(jié)合在一起,可以通過調(diào)整沉積過程中的電流密度和沉積時間,觀察線掃溶出曲線峰的變化。這為我們提供了一種有效手段,用于判斷能否通過控制沉積時間來調(diào)控沉積厚度以及沉積金屬中的比例關(guān)系。

電鍍或電沉積銀銅合金在科學(xué)研究和實際應(yīng)用中都具有顯著的意義和價值。在應(yīng)用方面,銀銅合金所具備的優(yōu)異導(dǎo)電性、抗腐蝕性和美觀性使其在電子通信、電力傳輸、珠寶藝術(shù)和復(fù)合材料制備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。銅銀兩種金屬具有良好的互溶性,通過電沉積形成的合金如果實現(xiàn)完全互溶,可能會形成類似高熵合金的結(jié)構(gòu)。這種分相現(xiàn)象對沉積層的性質(zhì)具有重要影響,進一步提升了銀銅合金的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。

具體實驗中,本研究針對銀和銅的沉積行為進行了研究。通過調(diào)整電流密度和沉積時間的變化,我們觀察了這兩種金屬的沉積行為。通過分析線性掃描溶解曲線峰的變化,我們獲得了關(guān)于沉積層厚度和銀銅比例關(guān)系的重要信息。這些數(shù)據(jù)不僅有助于我們深入理解雙金屬沉積過程,還可為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供有價值的參考。

儀器與參數(shù)設(shè)置

循環(huán)伏安(CV)曲線掃描范圍在0.8~-1.15V,掃速為10和20mV/s;恒電流電沉積電流密度分別為0.2、0.5和0.8A/dm2(ASD),控制沉積不同的時間。線掃(LSV)溶出的掃描范圍:-0.4~0.8V,掃速10mV/s;實驗體系為三電極體系,選用直徑3.0mm的玻碳電極為工作電極,飽和甘汞電極為參比電極,螺旋狀鉑絲為對電極。試驗前先用~5mm的Al2O3拋光粉對玻碳電極進行拋光處理,用去離子水沖洗干凈備用。工作液為含有1.0g/L的Ag+和5.0g/L的Cu2+的ZHL無氰鍍液,pH約為10.0。溫度約為25±1℃。儀器型號:DH7001A電化學(xué)工作站。下圖為該序列實驗方法的參數(shù)設(shè)置界面,包括第一步恒電流電沉積(CP)參數(shù)設(shè)置和第二步LSV方法溶出的設(shè)置。

 

實驗結(jié)果

為了說明含有雙金屬離子循環(huán)伏安曲線峰的一些特征以及改變金屬離子的濃度對沉積的影響,我們分別研究了不同的Ag+和Cu2+離子的含量,在10mV/s掃速的CV曲線如圖1A所示。從圖中可以看出,僅含Ag+的鍍液中,在-1.0V附近出現(xiàn)還原峰,在隨后的正電勢方向掃描時電流會在一段電位區(qū)間(例如-0.3~-0.7)大于負向掃描時的電流,形成了一個“8”字形的電流回滯。這是由于在負向掃描時,銀單質(zhì)是沉積在惰性的玻碳電極表面,活化能更高;而正向掃描時是沉積在銀表面,活化能已大為降低。沉積層的氧化峰電位在0.0V附近,峰形尖銳。

另外通過固定某一金屬含量不變,改變另一種金屬離子的含量來考察濃度對曲線的影響,如圖1B、C所示。在對比銅和銀的沉積行為時,可以發(fā)現(xiàn)了一些顯著的差異。例如銅的還原峰電流比銀的要大。這主要是由于銅離子經(jīng)歷的是兩電子還原過程,而銀離子則是單電子反應(yīng)。此外,銅離子的含量在溶液中比銀離子更高,這也是造成電流差異的另一個原因。另一個值得注意的現(xiàn)象是,銅的還原過程中并沒有出現(xiàn)像銀離子還原時那樣的電流回滯。這一現(xiàn)象推測是由于銅與鍍液中絡(luò)合劑的結(jié)合能力相對較弱,其在玻碳電極和銅表面沉積的活化能差異不顯著。此外,還觀察到銅的氧化峰電位更正,大約在0.43V左右,而且峰形更寬。

在含有銀和銅雙金屬離子體系的CV曲線中可以發(fā)現(xiàn),負掃時的還原電流的增加得更快,峰電位也向正電勢移動。此外,在回掃過程中同樣存在電流的回滯現(xiàn)象。這些現(xiàn)象表明,銀和銅在沉積過程中可能存在著相互的促進作用。

圖1

(a)不同組分在10mV/s的CV曲線疊加;(b)只改變銀離子濃度的曲線變化;(c)只改變銅離子濃度的曲線變化

在改變銀離子相對含量的研究中(圖1B),以Ag+:Cu2+=1:5g/L的鍍液作為基準,通過單一調(diào)整銀離子的濃度,即分別設(shè)定為1.0、2.0、3.0和4.0g/L,同時保持銅離子含量恒定,記錄20mV/s掃描速率下的CV行為。結(jié)果顯示,隨著銀離子濃度的增加,CV曲線的還原峰電流也逐漸增加,同時伴隨著峰電位的輕微正移。這一現(xiàn)象表明,銀離子含量的增加加快了沉積速度。然而,銀沉積層的氧化峰位變化不明顯,但是峰電流呈現(xiàn)出與銀離子含量的線性趨勢。沉積銀層的氧化峰面積與銀離子含量的關(guān)系如插圖所示。在所考察的濃度區(qū)間,兩者具有較好的線性關(guān)系。

在銅離子含量的研究中,同樣以Ag+:Cu2+=1:5g/L的鍍液為基準,通過單一調(diào)整銅離子的濃度,即分別設(shè)定為5.0、10.0、15.0和20.0g/L,同時保持銀離子含量恒定,在20mV/s的掃描速率下進行實驗,并記錄了相應(yīng)的CV曲線。結(jié)果表明,隨著鍍液中銅離子濃度的增加,還原峰電流逐漸增強,同時明顯伴隨著峰電位的正向移動。此外,相應(yīng)氧化峰的電流也呈現(xiàn)出增長的趨勢,其峰面積與離子含量也有較好的線性關(guān)系,見插圖所示。這些結(jié)果提供了雙組分金屬離子的濃度與電沉積物質(zhì)的量之間的定量關(guān)系,為后續(xù)對鍍層組分的控制提供參考。

 

圖2

(a)、 (b) 、(c)為不同電流密度下沉積不同時間的溶出曲線

(d)、 (e) 、(f)為10mV/s線掃溶出曲線的峰高與T變化曲線


為了了解銀銅合金鍍層的含量,我們設(shè)計了序列實驗。先在恒電流(CP)沉積給定的時間,獲得一定厚度的鍍層,而后結(jié)合線性掃描(LSV)方法表征鍍層中不同組分的氧化行為,并確定其相對含量。這一過程中,可以通過調(diào)整電流密度和沉積時間來控制合金層的沉積總量,并對得到的溶出曲線進行詳細分析。

圖2A、B、C分別展示了在0.2、0.5和0.8ASD條件下,不同沉積時間的線性掃描溶出曲線。觀察這些曲線可以發(fā)現(xiàn),在低電流密度(如0.2ASD)下,銀的沉積顯得更為困難。具體來說,在此條件下,前20 s內(nèi)均未觀察到銀的溶出峰,而銅的溶出峰則在沉積數(shù)秒時便可觀察到。結(jié)合圖1A的CV曲線,可以推斷銅的沉積電位低于銀。因此,在低電流密度下,達到銀離子沉積電位所需的時間更長。在0.5ASD條件下,前2.5秒內(nèi)也未出現(xiàn)銀的溶出峰。

值得注意的是,盡管銀離子的沉積過程需要更長的活化時間,一旦出現(xiàn)初始沉積層,可在較短時間達到可觀的沉積速度,其氧化峰也在較短的時間內(nèi)可達到與銅相當?shù)母叨?。這表明沉積出的銀更容易被氧化。圖2D、E和F則進一步展示了銀銅合金沉積層溶出峰高度隨沉積時間的變化趨勢。仔細分析這些現(xiàn)象可以進一步了解銀銅沉積過程中的催化機理,也為理解其結(jié)晶結(jié)構(gòu)提供參考。

總結(jié)

電化學(xué)方法種類繁多,選擇適合特定研究體系的方法至關(guān)重要。相較于單一實驗,序列實驗在研究中不僅操作更為便捷,而且能夠揭示更多有價值或難以直接觀測的信息。本例利用DH7001A電化學(xué)工作站將恒電流電沉積(CP)與線性掃描伏安法(LSV)相結(jié)合,探究了雙金屬銀銅離子的共沉積行為。

這種序列方法的運用,能極大地促進實驗的深入和對數(shù)據(jù)的全面獲取。然而,要想熟練掌握并運用電化學(xué)工作站中的序列實驗,研究者不僅需要具備堅實的電化學(xué)理論基礎(chǔ),還需要對電化學(xué)方法的應(yīng)用有深刻的理解。此外,高質(zhì)量的實驗結(jié)果也依賴于電化學(xué)工作站的優(yōu)良性能。



 

 

 

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