氯化胆碱—尿素低共熔溶剂中电解制备铜粉的研究

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铜粉具有优良的导电、导热、催化活性等优异特性,广泛应用于导电浆料、固体燃料电池和化学催化等领域。目前电解制备铜粉通常采用硫酸盐水溶液体系,存在电流效率低、铜粉颗粒不均匀等问题,而且铜粉易氧化、需要包覆等后续处理。因此,寻找一种高效、绿色的电解液来替代水介质电解液具有重大意义。低共熔溶剂(DES)是一种很好的替代电解质,具有离子电导率高、电化学窗口宽、电化学稳定性好等优点,具有广泛的应用前景。本文以添加氯化亚铜的氯化胆碱-尿素低共熔溶剂为电解液。研究了铜阳极在低共熔溶剂电解液中的溶解行为以及铜离子在此电解液中的电化学沉积行为。发现在此电解液中,铜离子的存在形式主要为Cu(I)离子,这与传统水溶液电解液中相比可以显著的降低能耗,同时所得铜粉的抗氧化性能好。因此在此电解液中制备铜粉具有美好的应用前景。具体如下:(1)采用电化学测试研究了铜阳极在Ch Cl-Urea-CuCl DES电解液中的溶解行为,发现铜阳极在此电解液中主要氧化为Cu(I)离子,且Cu(I)离子以[CuCl2]-和[CuCl3]2-配离子的形式存在。铜阳极溶解过程受扩散控制,可用双相盐膜模型来描述铜阳极在溶解时表面发生钝化的模型。此外,纯铜可以在Ch Cl-Urea DES中进行抛光。(2)探究实验条件对Cu(I)离子浓度与总铜离子浓度比的影响。结果发现:在阴极电流密度为10m A·cm-2、温度为353K、CuCl浓度为50mmol·L-1的条件下,电解液中Cu(I)离子占比最高,达到93.18%。此外,Cu(I)离子在Ch Cl-Urea DES中的扩散系数随着温度的升高而增大,随着CuCl浓度的增加呈先增大后减小的趋势。这是由于电解液的电导率随温度的升高而增大,但随着CuCl浓度的增加呈先增加后减小的趋势。(3)探究各实验条件因素对铜在钛基体上沉积的影响。结果发现:阴极电流密度、CuCl浓度、电解温度、电解时间等实验因素对铜在钛基体上沉积的形貌和粒度有很大的影响。其中,当阴极电流密度为10m A·cm-2、CuCl浓度为50mmol·L-1、电解温度为353K、电解时间为5h时,在钛片上制备的铜粉电流效率和直流电耗最优,分别为97.25%和345.64KW·h·t-1。(4)采用电化学测试研究铜在不同阴极基体材料上的沉积机理发现:温度和CuCl浓度对铜在钛基体上的阴极极化度有较大的影响,且铜离子在钛基体上进行还原形核的方式不属于三维形核模型。而铜在不锈钢基体上的阴极极化度变化规律和在钛基体上相似,但是铜在不锈钢基体上进行还原形核的方式是三维瞬时形核。此外,还发现不同沉积电位和不同CuCl浓度对铜在不锈钢基体上沉积的形貌有很大的影响。
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