尿素—氯化胆碱低共融体系中电沉积制备纳米铜粉

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纳米铜粉由于其颗粒尺寸小,比表面积大,表面活性高,因而具有与大颗粒金属材料不同的特殊的物理、化学方面的性质,被广泛应用于国防、电子、生物工程、化工和冶金等方面。目前制备纳米铜粉的方法很多,根据原料状态的不同,可分为固相法、气相法和液相法。但现有的纳米铜粉的生产制备工艺存在着产品颗粒不纯净、生产工艺复杂、能耗大等缺点,使得纳米铜粉的价格昂贵,大大限制了纳米铜粉的应用。因此寻求一种低成本、工艺简单、绿色环保的纳米铜粉的制备方法对于扩大纳米铜粉的应用范围具有重要意义。尿素-氯化胆碱低共融溶剂型离子液体作为一种新兴的绿色溶剂,具有合成简单、廉价、纯度高、电导率高、热稳定性高、电化学窗口宽等优点。将低共融溶剂型离子液体引入纳米铜粉的制备过程,可以大大降低生产成本、简化生产工艺、减少对环境的污染,实现纳米铜粉制备过程的绿色生产。本文在摩尔比为2:1的尿素-氯化胆碱低共融溶剂型离子液体中,以氧化亚铜为铜源,通过电沉积的方法,成功的制备出了颗粒尺寸均匀且细小的纳米铜粉。通过X射线衍射(XRD)和能量弥散X射线谱(EDS)对电沉积产物的成分和纯度进行了分析,确定电沉积产物为铜粉。并通过设计单因素条件实验,分析了基体、电解液温度、槽电压及电沉积时间对铜粉的形貌和颗粒大小的影响,确定了电沉积的最佳条件。单因素条件实验确定电沉积的最佳条件为:阴极基体为镍片,电解液温度为313~333K,槽电压为2.4~2.5V,沉积时间应选择在1-2h。接着在低共融溶剂型离子液体电解液中,采用多种电化学测试手段如循环伏安、线性扫描伏安及暂态时间电流等,研究了在该低共融溶剂型离子液体电解液中Cu(Ⅰ)离子的电化学行为。循环伏安测试表明,在该低共融体系中,Cu(I)/Cu还原过程是一个受扩散控制的准可逆过程,其扩散系数较水溶液中低了一个数量级,且随着温度的升高,扩散系数越来越大。线性扫描伏安法测试表明,温度升高加强了Cu(Ⅰ)离子的动力学还原过程。暂态时间电流曲线测试发现,铜在早期的电结晶过程是按连续形核机理进行的。最后讨论了在尿素-氯化胆碱低共融体系中电沉积铜粉的形核机理,分析了在该体系中能够制备纳米铜粉的原因。
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