Ag(Al)-Au合金在酸性溶液中的脱合金机理研究

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纳米多孔金属被广泛应用于催化、传感、燃料电池等各个领域,脱合金法作为制备纳米多孔金属的重要方法,其背后的机理具有很高的研究价值。本文选取Ag-Au和Al-Au合金作为研究对象,对其在酸性环境中的脱合金机理进行了研究。(1)Ag-Au合金临界脱合金电位及钝化机理研究以Ag70Au30合金作为研究对象,使用原子力显微镜(AFM)、线性伏安测试(LSV)及电化学阻抗测试(EIS)等测试方法,对恒电位钝化处理后的表面进行了一系列表征。表征结果显示,表面在恒电位钝化处理后出现了具有特定波长的凸起,钝化电位越高,凸起的波长越短。对Ag70Au30进行的电位递增、减恒电位钝化实验结果表明,恒电位钝化处理对表面的影响具有电位不可逆性。在Sieradzki给出的理论基础上,对表面在恒电位钝化过程中所受的影响给出了定性和定量描述,并提出了“钝化-修剪”模型:外加电位会对表面产生“修剪”作用,使表面产生具有特征波长的凸起,外加电位越大,凸起的特征波长越小;当外加电位增大到一定程度,使“修剪”作用所对应的特征波长小于Ag原子渝渗通道的平均尺寸时,脱合金开始发生。(2)Al2Au条带脱合金过程的表面状态演变通过X光电子能谱(XPS)和扫描电子显微镜(SEM)等表征手段,将Al2Au条带在HCl溶液中的脱合金过程分为诱导阶段和成孔阶段。在诱导阶段,表面Au原子的化学态发生着从初始态向中间态的转变,不产生纳米多孔结构;在成孔阶段,表面Au原子发生着从中间态向单质态的转变,并伴有纳米多孔Au结构的生成。定义中间态Au原子占比最高的表面为临界转变表面,发现HCl浓度越高,临界转变表面所含有的中间态Au原子的比例越高。对脱合金过程进行了开路电位监测,发现诱导阶段和成孔阶段具有完全不同的噪声模式,依此可以初步实现对诱导阶段和成孔阶段的原位监测。(3)Al50Au50条带的结构调整及其脱合金行为研究通多调整单辊快淬法的铜辊转速和退火处理,分别制备了单、多相Al50Au50条带。多相Al50Au50条带在自由面和近辊面上有不同的相分布,自由面为Al2Au、AlAu和AlAu2组成的多相结构,而近辊面为单相AlAu结构。使用化学、电化学脱合金法在不同条件下分别对自由面和近辊面进行处理,发现自由面耐腐蚀性差,在高温化学腐蚀条件下可以制得孔径均匀的纳米多孔结构;而近辊面表现出了较强的耐腐蚀性,在化学、电化学腐蚀下均无法腐蚀出纳米多孔结构。自由面中Al2Au相会在腐蚀过程中会优先被腐蚀,不仅大大增加AlAu相与溶液的接触面积,其留下的多孔结构还将通过毛细作用缓解AlAu相脱合金过程中Au原子在表面的富集。通过退火处理得到的单相Al50Au50条带在HCl溶液中有良好的钝化性能以及与良好钝化性能不相称的剧烈波动的开路电位。通过Mott-Schottky测试、恒电位处理、电化学阻抗测试等对开路电位反常波动现象进行了一系列电化学研究,最终证明了其本质是条带表面氧化膜中的空间电荷层受能带结构影响发生的反复充放电行为。(4)表面氧化层对Al2Au脱合金后多孔形貌的影响分别在550℃和800℃下对铸态Al2Au条带进行了 10 h的退火处理,并对退火后的合金进行了结构表征,发现在550℃退火处理后,Al2Au条带晶体结构和晶粒取向几乎没有发生改变;而在800℃退火处理后,Al2Au条带的晶粒尺寸增大并且有AlAu相在原晶界处析出。对表面氧化层的化学态和微观结构研究发现,铸态条带和800℃退火条带表面氧化层内的Au元素主要以固溶原子的形式存在,XPS显示其结合能为84.7eV左右;在550℃退火条件下,表面氧化层内的Au元素主要以团簇形式存在,XPS显示其结合能为85.4 eV左右。以团簇形式存在的Au,对氧化层有“钉扎”作用,使其耐腐蚀性能大大提升,并能使脱合金后得到的多孔形貌发生改变;以固溶原子形式存在的Au,对氧化层的耐腐蚀性能没有提升,在氧化层受到腐蚀时,Au原子沿腐蚀界面的法向方向进行扩散并累积,形成团絮状腐蚀产物。
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