基于氯化胆碱的离子液体中电沉积金的工艺与机理研究

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惯性约束聚变(ICF)实验用靶的制备过程中,点火靶以活泼金属铀或其合金作为能量转换材料,在转换层材料表面需沉积一层化学性质稳定的单质金作为支撑层。由于铀基体有较强活性,表面易形成氧化膜,在传统的水溶液体系中电沉积很难获得结合力符合要求的镀层。故开发新型的非水电镀金体系势在必行。本文分别以基于氯化胆碱的Reline和Ethaline离子液体为溶剂,以氯金酸钠为主盐,二甲基海因(DMH)为配位剂进行了电镀金工艺的探究,分别研究了主盐浓度、配位剂含量等镀液组成及温度、电流密度等工艺条件对镀层性能的影响。在Reline离子液体中,通过正交试验确定了基本镀液体系,其中Au3+4g/L,DMH45g/L,氯化锂15g/L,沉积电势为-1.4V(vs. Pt)。通过单因素试验,发现电流密度及镀液温度对镀层外观质量影响较大,而氯化锂浓度的影响较小。在基本镀液中,以镍为基体,可以电沉积获得较为均一细致的镀金层,但工作电流密度较小,电流密度区间较窄。尝试了通过提高主盐浓度、镀液温度,加入稀释剂等方法来提高电流密度,结果表明工作电流密度很难提高。在Ethaline离子液体中,通过大量实验初步确定了基本镀液体系,组成为Au30g/L,DMH156g/L,Na2CO35g/L。在基本镀液中,在电流密度2~10mA/cm2范围内可得到金黄色的镀金层,而电流为6.5mA/cm2时得到的金层的均一性最好。以镍为基体时,阴极片表面容易出现漏镀区,产生黑色区域,而以金为基体时,则容易得到均一细致的镀金层。提高主盐浓度、镀液温度可大幅提高工作电流密度,而随着温度的升高,镀层外观质量有所改善,最佳镀液温度范围为90~100℃。另外,由于高浓度的Au3+具有强氧化性,阴、阳极过程出现异常现象:新配置镀液中,阴极沉积效率非常低,甚至接近0,而金阳极溶解效率大于100%。利用XRD对镀层的晶体结构进行了分析,发现两体系中所得金层均为面心立方结构。通过XPS、XRF及EDS对镀层成分进行了分析,并利用SIMS对镀层成分作了深度分析,发现镀金层比较纯净,无有机物夹杂。另外,利用SEM、AFM对镀层的微观形貌进行了表征。通过循环伏安(CV)方法对体系中金的还原机理以及电极的可逆性进行了研究,发现Au3+的还原是分步,存在Au+中间体,且还原过程为非可逆的;利用LSV方法研究了糖精钠与丁炔二醇对阴极极化的影响,表明糖精钠与丁炔二醇对提高阴极极化的作用效果不大;利用计时电流(CA)方法对玻碳电极上金的成核机理进行了研究,研究表明金在玻碳电极上的成核方式为连续成核。
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