电沉积铁及其在多孔材料制备中的应用

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多孔金属材料具有质轻、比表面积大、导电导热性能优异、可压缩等特点,是一类应用前景非常广泛的新材料,其中多孔镍、多孔铝、多孔铜等已被广泛应用于电化学、航空、环保等行业。铁价格便宜且自身具有催化特性,在一定场合能够减少或替代价格较昂贵的镍,因而制造多孔铁具有潜在的经济价值。多孔材料制备方法有固相法、液相法、电沉积法等。其中电沉积法具有操作流程短、能耗低、对环境污染较小等优势,近年来在产业化领域发展迅速。但传统的电沉积铁镀液存在易氧化,析氢严重造成电流效率低,均镀能力差等问题,不适用于多孔铁材料的制备。本论文对电沉积铁的工艺条件、镀液配方进行了研究和优化:通过正交试验研究了镀液温度、pH、电流密度、氯化亚铁浓度对阴极电流效率、镀层微观结构的影响;通过霍尔槽电沉积、哈林槽电沉积实验研究了无机添加剂对电沉积铁镀层形貌、阴极电流效率、均镀能力的影响;通过循环伏安法、恒电流法研究了有机添加剂对电沉积铁的电化学行为的作用;最后验证了优化得到的工艺条件及电沉积铁镀液配方,制备出多孔铁材料。本研究获得的主要结论有:(1)诸因素中镀液pH值是影响电沉积铁最主要的因素。pH过低时析氢反应严重,镀层中易出现裂纹以及麻点,pH过高时,产生的氢氧化铁沉淀夹杂在镀层中,使镀层脆性增大;电流密度会影响阴极沉积速率,电流密度过大时,沉积速率过快,使镀层烧焦、粗糙,电流密度过小,阴极电流效率较低;温度会影响离子的迁移速率和沉积速率;亚铁离子浓度对镀层的以及阴极电流效率的影响较小。(2)添加剂能够显著影响阴极电沉积过程,改变铁沉积层微观结构。氯化锰的加入提升了阴极电流效率;抗坏血酸作为抗氧化剂可抑制亚铁离子的氧化,维持镀液稳定;柠檬酸铵在溶液中作pH缓冲剂,同时使镀层的结晶更细致均匀。通过对糖精钠、硫脲、尿素、PEG-8000的电化学作用的比较,发现硫脲可以显著抑制析氢,提高阴极电流效率,加入硫脲后电流效率可达85%,获得的镀层致密、平整。(3)通过对电沉积参数、基础镀液、添加剂的优化,获得电沉积铁的镀液配方为:氯化锰20 g/L;氯化亚铁300 g/L;柠檬酸铵40 g/L;抗坏血酸1 g/L;硫脲20mg/L。将优化后的电沉积配方用于多孔铁材料制备,得到比表面积为0.7994 m~2/g的多孔铁材料。
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