[发明专利]一种低温下由氧化锌直接电沉积制备微纳米锌层的方法

说明书

技术领域

  本发明涉及一种低温下由氧化锌直接电沉积制备微纳米锌层的方法，属于绿色电沉积工艺技术领域。

背景技术

中国是锌储量最大的国家，从1992年开始我国锌产量居世界第一，金属锌作为工业社会的基础材料，被广泛应用于各个领域。现代炼锌主要分为火法炼锌和湿法炼锌，湿法炼锌由于其资源综合利用率高，电能消耗相对低等优点，成为目前锌冶金发展的主要方向。其中，电镀锌过程是湿法炼锌的最后一道工序，传统电镀锌的方法是在水溶液体系中进行，而其中析氢现象的发生对金属镀层的致密性、光亮度等有很大影响。传统电镀锌需要严格控制水溶液的酸碱度，时刻提防“析氢”现象的发生。此外，水溶液的电化学窗口较窄，电沉积过程中产生的氢气会对基体产生氢脆危害，电沉积锌的镀液容易氧化等原因也限制了其应用。离子液体是一种完全由离子构成的室温融盐。与水溶液相比，离子液体具有电化学窗口宽、化学热稳定性高、电导率高、蒸气压低、不可燃，且绿色环保，可多次循环使用等优异特点。其中氯化胆碱类离子液体由于其经济、附加值高、可回收利用等优点，越来越受到人们的关注，并且逐渐被应用于各种电沉积领域。目前，离子液体中金属锌的电沉积主要采用氯化锌为原料，然而沉积过程产生的有毒气体氯气对设备等造成一定的腐蚀。因此，由廉价、无污染的氧化锌作为前驱体直接电沉积制备金属锌的研究迅速开始了。

发明内容

本发明针对目前电沉积制备金属锌过程存在的技术问题，提供一种在低温下离子液体中由氧化锌直接电沉积制备微纳米锌镀层的方法，本发明方法具有过程可控、效率高、成本低廉、能耗低等特点。

为达到上述发明创造目的，本发明采用以下技术方案：

本发明一种低温下由氧化锌直接电沉积制备微纳米锌层的方法其特征在于具有如下的过程和步骤：

a. 氯化胆碱/尿素离子液体的配制：以氯化胆碱和尿素为初始原料，按摩尔比1:2进行混合，在80℃下恒温搅拌12小时直至形成均匀、无色透明状离子液体；

b. 电解质溶液配制：将过量的氧化锌粉末（分析纯）加入到步骤a所配制的离子液体中，在60℃~100℃下恒温搅拌10小时，得到含饱和氧化锌的氯化胆碱/尿素离子液体；

c. 电解池系统的构成：以聚四氟乙烯烧杯作为电解槽，铂盘电极为对电极；经抛光、酸性活化的铜片等待镀金属基体为工作电极也即阴极；银电极为参比电极构成电解池，进行电沉积；

d. 微纳米锌层的电沉积合成工艺过程：使用恒温控温仪对上述步骤c中所构成的电解池系统进行控温保持在40℃~100℃，然后在电解池系统施加电势为-1.40V ~ -1.70V,控制电沉积时间为25~ 60分钟；在微纳米锌层的电沉积合成工艺过程中，通过有效地调控温度、电势和时间参数中的任意几项工艺参数，实现在沉积过程中对微纳米锌层特征的有效控制；

e. 将经过上述步骤d电沉积所得的产物从电解槽中取出，先用去离子水进行清洗，再用无水乙醇多次洗净，最后进行低温烘干得到致密、均匀的微纳米锌层。

  本发明的原理：通过电化学三电极体系精确控制工作电极的电势使电解质中溶解的氧化锌在工作电极也即阴极被还原成金属锌，对电极上发生析氧反应生成氧气。

与现有技术相比较，本发明方法具有如下实质性特点和显著的优点：

    1. 本发明采用可回收利用的氯化胆碱/尿素离子液体为电解质溶液，具有宽的电化学窗口和避免了析氢副反应。采用氧化锌为原料，原料要求低，通过电化学方法直接电沉积制备得到金属锌层。此外，通过精确控制电化学工艺参数，达到对沉积金属锌层的形核生长及形貌的精确控制，是一种绿色高效可控合成新工艺；

2. 本发明中配制的氯化胆碱/尿素离子液体属于室温熔盐的一种，电化学反应过程在低温下进行，有效避免了高温、强酸强碱的依赖，极大简化了传统工艺流程，降低了成本；

3. 本发明操作简单，过程可控，效率高，不产生其他副反应，易扩大化生产。离子液体绿色环保，可重复循环使用，成本低廉，能耗低，有利于实现工业化生产。

附图说明

  图1是本发明实施例一通过本发明方法制备微纳米锌层的短流程示意图。

  图2是用本发明方法按实施例一电沉积制备微纳米锌层过程的电流密度-时间曲线。

  图3是利用本发明方法按实施例一电沉积制备获得的微纳米锌层的XRD图。

  图4是利用本发明方法在不同电势下电沉积制备获得的微纳米锌层的SEM图。