电沉积镍(电流密度).doc

学 题目 ：镍电沉积实验作 者 XX 级 别 2009 级系 别 化学化工 专 业 化学师范指导教师 XXX完成时间 2012 年6 月1日创新性实验镍电沉积实验摘要： 电沉积镍的效果与溶液中镍离子的浓度、添加剂与缓冲剂的种类和浓度、pH、温度及所使用的电流密度、搅拌情况等因素有关。本实验通过研究510 A/dm2 电流密度范围内的电流效率，发现当电流密度为8.3 A/dm2左右时，电沉积镍的电流效率最高，达到66.9%。关键词：电沉积镍；电流密度；电流效率AbstractElectrodeposition of nickel depend on the nickel ion concentration in the solution, the type and concentration of additives and buffer, pH, temperature and the use of current density, agitation and other factors. Through the study of 510 A/dm2 current density within the current efficiency, found that when the current density is about 8.3A/dm2, nickel electrodeposition current efficiency is the highest, reaching 66.9%.Keywords：Electrodeposition of nickel； Current density；Current efficiency 前 言电沉积镍，可以改变基底表面的特性，改善基底材料的外观、耐腐蚀性和耐磨损性。电沉积镍过程的主要反应为：阴极： Ni 2+ + 2e = Ni 阳极： Ni +2e = Ni2+ 溶液中镍离子的浓度、添加剂与缓冲剂的种类和浓度、pH、温度及所使用的电流密度、搅拌情况等都能够影响电沉积的效果。研究这些因素对电沉积镍的影响，可以找到电沉积镍的最佳工艺条件。不但具有很好的理论意义，更对将来应用于实际生产有很大的帮助。本实验重点研究了电流密度这一因素对电沉积镍的影响。一、 实验部分1、实验目的1）熟悉电沉积的基本操作与原理。2）试验并了解添加剂糖精、苯亚磺酸钠、镍光亮剂XNF和十二烷基硫酸钠对电沉积光亮镍的影响。电沉积是用电解的方法在导电基底的表面上沉积一层具有所需形态和性能的金属沉积层的过程。传统上电沉积金属的目的，一般是改变基底表面的特性，改善基底材料的外观、耐腐蚀性和耐磨损性。现在，电沉积这一古老而又年轻的技术正日益发挥着其重要作用，已广泛应用于制备半导体、磁膜材料、催化材料、纳米材料等功能性材料和微机电加工领域中。2、实验原理实验通过电沉积镍和沉积层结构与性能的研究分析，使我们掌握金属电沉积的基本原理和基本的研究方法，初步了解电沉积条件对镍沉积层结构与性能的影响，认识电镀过程中添加剂的作用。电沉积镍过程的主要反应为：阴极：Ni n+ + 2 e = Ni 阳极：Ni 2e = Ni n+ 在整个沉积过程中，实际上至少包含了溶液中的水合（或配合）镍离子向阴极表面扩散、镍离子在阴极表面放电成为吸附原子（电还原）和吸附原子在表面扩散进入金属晶格（电结晶）三个步骤。溶液中镍离子的浓度、添加剂与缓冲剂的种类和浓度、pH、温度及所使用的电流密度、搅拌情况等都能够影响电沉积的效果。仪器：烧杯（电镀槽）、直流稳压电源、电流表、变阻器、恒温槽、温度计、电吹风、分析天平、导线、石墨阳极、铝合金阴极、PH计试剂：硫酸镍、硼酸、氯化钠、糖精、氢氧化钠、柠檬酸三钠表1 电沉积镍铁合金的电解液成分及工艺条件电解液组成 / gL-1 工艺条件NiSO46H2O 200260 电流密度 510 A/dm2 H3BO3 40 温 度 6070 柠檬酸三钠 2040 pH 值 2.03.5 糖精 3 沉积时间 4060 min3、 电解液配制配制电解液所用试剂均为分析纯，用去离子水配制电解液，用10%的硫酸或10%NaOH溶液调节电解液的pH值。在电沉积前，采用小电流密度处理配制好的电解液，并陈化一段时间。电解液配置方法如下:(1) 取三分之二体积的去离子水加热到80左右；(2) 依次加入计量的H3BO3、硫酸镍、柠檬酸三钠等，分别搅拌溶解； (3) 另取适量的去离子水加热，加入糖精，溶解；(4) 将配置好的糖精和添加剂的溶液倒入前面配置的电解液中，再用10%的硫酸或10%NaOH溶液调节电解液的pH值； (5) 最后用去离子水调整电解液至规定体积。4、电沉积镍 将铝合金阴极片（1cm3cm）用砂纸磨光，经碱除油，用自来水和去离子水逐次认真清洗后，电吹风吹干，称重。带电置于电镀槽，以石墨为阴极，以150300mA的电流沉积10min。取出阴极片，先用自来水清洗，然后用去离子水清洗，电吹风烘干，称重。电沉积铁镍合金工艺流程如下： 二、结果与讨论阴极电流效率（）是在电沉积时，实际用于镀层沉积的电量与通入的总电量的百分比。由于在实际生产条件下，阴极上不可能只单纯进行金属离子还原为金属的反应，还同时发生氢的析出或添加剂的电化学还原等副反应。副反应也消耗了一部分电量，使得电沉积金属的电流效率一般达不到100%。电流效率的高低关系到电能的有效利用和生产效率的问题，同时对镀液的稳定性、镀层的质量和环境的保护也有密切关系。因此在选择镀液的组成和确定工作规范时，必须同时考虑电流效率问题。测定电流效率的一个简单方法是用恒电流沉积，根据电流大小和沉积时间计算出电镀消耗的电量，由沉积金属的电化学当量可计算出应沉积的金属的质量，然后与阴极试片镀后增重相比较，便可用下式计算阴极电流效率：式中，WNi为阴极片镀后增重（g）；I为电镀时所用电流（A）；t为电镀时间（h）；CNi为镍的电化学当量（= 1.095 g/Ah）。根据镀层的质量，还可根据式和来计算镀层的厚度L和沉积速度：式中，SC为阴极面积，Ni为金属Ni的密度（= 8.9 g/cm3），t为电镀时间。表2 不同电流密度下的电流效率、镀层及沉积速度组次电流密度/A/dm2理论沉积量WNi/g实际沉积量WNi/g电流效率%镀层的厚度L/cm沉积速度/cm/min15.30.08870.054761.72.0510-36.8310-527.00.11550.073763.82.7610-39.2010-538.30.13690.091666.93.4310-31.1410-449.30.15221.097862.44.1110-21.3710-3图1 电流效率与电流密度的关系本实验通过研究510 A/dm2电流密度范围内的电流效率，发现当电流密度为8.3 A/dm2左右时，电沉积镍的电流效率最高，达到66.9%。实际电流效率无法达到理论的100%效率，可能有如下几个原因：（1）阴极副反应2H+ + 2e = H2（2）添加剂也可能发生副反应；（3）电解液的纯度不高，含有沉积电位低于镍沉积电位的Cu2+、Fe2+等。 所以，通过改进实验方法与条件，提高沉积的电流效率是很可行的。三、 思考题1电沉积过程主要包括哪些步骤？电镀过程是镀液中的金属离子在外电场的作用下，经电极反应还原成金属原子并在阴极上进行金属沉积的过程。完成电沉积过程必须经过以下三个步骤： 1、液相传质 镀液中的水化金属离子或配位离子从溶液内部向阴极界面迁移，到达阴极的双电层溶液一侧； 2、电化学反应 水化金属离子或配位离子通过双电层，并去掉它周围的水化分子或配位体层，从阴极上得到电子生成金属原子（吸附原子）； 3、电结晶 金属原子沿金属表面扩散到达结晶生长点，以金属原子态排列在晶格内，形成镀层。 电镀时，以上三个步骤是同时进行的，但所进行的速度不同，速度最慢的一个被称为整个沉积过程的控制性环节。不同步骤作为控制性环节，最后的电沉积结果是不一样的。因此，有必要对以上三个步骤及不同步骤作为控制性环节时对电沉积结果的影响进行研究。 电结晶步骤 电结晶是指金属原子达到金属表面之后，按一定规律排列形成新晶体的过程。金属离子放电后形成的吸附原子在金属表面移动，寻找一个能量较低的位置，在脱去水化膜的同时，进入晶格。 外电流密度的大小决定了电结晶按不同的生长方式进行。 在外电流密度较小，过电位较低的情况下，金属离子在阴极上还原的数量不多，吸附原子的能量较小，且晶体表面上“生长点”和“生长线”也不多。吸附原子在电极表面上的扩散相当困难，表面扩散控制着整个电结晶速度。电结晶过程主要是在基体原有的晶体上继续生长，很少形成新的晶核。在这种生长方式下，晶粒长得比较粗大。如果晶面的生长完全按照这种方式进行，则当每一层面长满以后，“生长点”和“生长线”就消失了，晶体的继续增长就要形成新晶核。实际上，绝大多数实际晶体的生长都不是如此。在实际晶体中，由于包含螺旋位错以及其他缺陷，晶面围绕着螺旋位错线生长，“生长线”就永远不会消失。 随着外电流密度增加，过电位增大，吸附原子的浓度逐渐变大，晶体表面上的“生长点”和“生长线”也大大增加。由于吸附原子扩散的距离缩短，表面扩散变得容易，所以来不及规则地排列在晶格上。吸附原子在晶体表