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铂族金属因其具有优良、特殊的性能而日益受到关注。钯合金纳米线制作的氢传感敏感元件,不会在较高浓度的氢气环境中发生损伤而失效,具有室温吸氢的可逆性、快速响应能力和抗硫化氢毒化能力。钯钴合金镀层外观精美,具有较高的硬度、较少的孔隙、较好的耐蚀性及较低的接触电阻、合格的可焊性,可以代替硬金镀层用于高温汽车元件、电子插接件和首饰等方面。铑镀层呈现银白色光泽,具有其它镀层难以比拟的耐磨性以及化学稳定性,被广泛应用于首饰和电子工业。论文工作总结如下:
1.电化学阶边精饰法合成钯镍钯银合金纳米线
研究了氨做配合剂的镀液体系中钯、镍、银及其合金钯镍、钯银共沉积的电沉积行为,低速电沉积条件下镀液组成和工艺条件对钯镍、钯银合金成分的影响。作者首次采用电化学阶边精饰法在高定向石墨(HOPG)基底上成功合成了钯镍、钯银合金纳米线。利用等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)对电沉积钯镍、钯银合金成分进行了测定,通过扫描电子显微镜(SEM)和X-射线能谱仪(EDS)对钯镍、钯银合金纳米线的形貌和合金成分进行了表征。研究结果如下:极化曲线法和循环伏安法对钯、镍、银及其合金的电沉积行的研究表明:镍的极化、极化度比钯大,钯对镍的电沉积起明显催化作用,镍对钯略有阻化作用。析氢反应是钯镍合金电沉积过程中主要的副反应,随着pH值的升高,析氢副反应加剧,电流效率降低,pH值宜控制在8.5左右;钯银共沉积属于非正常共沉积机制,银在钯的表面欠电势沉积,银在钯表面的电沉积优先钯在高定向石墨表面的电沉积。
主盐金属离子浓度是影响合金成分的主要因素。镀液中镍离子、银离子浓度增加,合金中的镍或银含量也随之增加。控制氨配合物镀液中镍钯、钯银离子浓度比分别在0.1~0.4、15:1~20:1范围内,镀液pH值在8.5、2~3左右时,通过调整纳米线合成时的形核条件和生长条件均可制备出镍、银含量分别在8~15 wt[%]、23~18 wt[%]的钯镍、钯银合金纳米线阵列。制备得到的钯镍、钯银合金纳米线符合氢传感器的成分要求。
采用氧化、成核、生长“三脉冲”法制备钯镍合金纳米线的最佳工艺条件是:氧化脉冲0.8V,5 s,成核脉冲-1.0V~-2.0V,成核时间50~500 ms,生长脉冲-0.3V~-0.5V。该法可以成功地合成连续的高质量的钯镍合金纳米线;如果采用恒电势脉冲成核,生长过程则采用了恒电流脉冲来制备钯银合金纳米线,利用这种改进的“三脉冲”新方法制备钯银合金纳米线的最佳工艺条件是:氧化脉冲0.8~1.1 V/5s;成核脉冲-1.4~-1.5 V/5~1000 ms,生长电流脉冲-20~-60 μA·cm-2/数分钟。制得的钯银合金纳米线连续、分离、平行、直径和成份分布均匀。
2.钯钴合金电沉积
利用阴极极化曲线研究了钯钴合金的电沉积行为,研究了镀液组成和工艺条件对电沉积钯钴合金组成的影响。采用X射线衍射技术(XRD)对Pd-Co合金镀层的微观结构进行了测定,并利用动电势扫描技术、金相显微镜等考察了镀层的组成、结构与性能的相互关系。主要结论如下:当钯、钴单独沉积时,钴比钯有较大的极化和极化度,钴比钯更难沉积。钯钴共沉积时,钴对钯的沉积阻化作用较小,钯对钴的沉积起显著催化作用。改变镀液中Co2+/Pd2+离子浓度比,可获得不同钴含量的钯钴合金镀层;电流密度小于1.0 A·dm-2时,镀层中钴含量随电流密度的增大迅速增加,电流密度在1.0~2.5 A·dm-2时,镀层中的钴含量随电流密度的变化趋于缓慢,但其变化值也近10[%];镀层中Co含量随着镀液温度的升高而增大,当温度大于50℃时,Co的含量反而迅速降低;随镀液pH值的升高,镀层中钴含量先增大后减小,pH在8.0~8.5时,钴含量达最大值。
钯钴合金沉积层属于固溶体,其晶格为面心立方(F.C.C);晶胞参数以及微晶尺寸随钴含量的增大而减小,平均应力随钴含量的增大而增大;钯钴合金镀层的硬度随镀层中钴含量的增加而增大,其耐蚀性在钴含量为26.7 wt%时最佳。
3.新型亮白硫酸铑镀液及铑电镀工艺
从开发新型亮白镀铑液的角度讨论了特效硫酸铑的制备及其新型添加剂的作用机理、外预镀层对电镀铑的影响、主盐硫酸铑含量的快速准确测定。主要结论如下:首次提出快速、安全置换法溶解铑粉的新方法制备出具有良好电镀功效的硫酸铑主盐,制备工艺为控制温度118.7℃、2.3 mol×dm-3盐酸浸泡铑粉4h,此方法铑粉一次性转化率可达99.5 wt[%]以上。用2 g×dm-3氯铑酸与10[%]NaOH在6℃的温度下反应、浓H2SO4溶解来配置硫酸铑溶液,用10 mg×dm-3 RHB光亮剂和2 g×dm-3 RHW增白剂添加到镀铑溶液中,这样制得的镀液性能稳定、澄清透明,施镀效果好。
RHB镀铑光亮剂可以产生极大的阴极极化,获得光亮致密、高耐蚀性的铑镀层;RHW增白剂对阴极极化影响较小,但可以改变铑的结晶方式获得洁白、低应力的铑镀层。二者结合可以获得光亮、洁白、低应力、强耐蚀性镀层。
在不同的预镀层上电镀铑,以镍为预镀层时,具有开路电势低,电流效率小,镀层白亮,结合力好等特点,但耐蚀性一般;银为预镀层进行镀铑时,具有电流效率高、结合力好等特点,但镀层白度较差,耐蚀性一般;以钯为预镀层进行镀铑时,具有开路电势高,电流效率低、耐蚀性强、白度较好等特点,结合力表现一般;以钯合金作预镀层,镀铑开路电势-时间曲线随时间的延长有向负向电势移动的趋势,电流效率适中、镀铑层有较好的耐蚀性和白度,结合力表现一般,适合装饰性电镀。
镀铑液中铑的含量是电镀铑的重要参数,对高浓度、高纯度的铑可以使用硼氢化钠重量法分析镀液中铑的含量,相对偏差为0.2[%],对于杂质多、常规浓度的铑,宜采用加入增感剂、引入校正因子优化的火焰原子吸收法分析镀液中铑的含量,其相对偏差低达1%。
4.研究的创新点及对科学的贡献
合金纳米线合成及其机理的研究在国际国内都是前沿的科技领域,本论文所应用的研究方法和制备的钯镍钯银合金纳米线新材料均属于创新性工作。本文从新材料开发的角度研究了钯镍、钯银合金纳米线的制备及其相关机理。研究所取得的成果将为研究与开发新型的高效钯合金纳米线氢传感器提供十分有益的理论基础。
对Pd-Co合金镀层及镀液做了更深入的研究,特别是对钯钴合金镀层的微观结构,包括镀层的外观形态、晶粒大小以及显微组织进行了研究,所取得的成果对进一步阐明Pd-Co合金的电结晶机理和指导电镀生产实践都有重要的意义。
首次提出快速、安全溶解铑粉的新方法并成功应用于特异硫酸铑的制备,新方法提供了一种由铑粉转化为铑盐的新思路,为电镀铑以及铑的催化剂的研究、应用提供了一条便捷的途径。
成功研制出特效硫酸铑及其新型镀铑添加剂体系,配制成的镀铑液已应用于饰品和电子产品铑电镀生产,创造产值达4000万元。该镀铑技术在国内处于领先水平。
通过引入动态的校正因子,提高了镀铑液中铑含量检测的准确性,确保镀铑了镀铑液的质量控制。