李狄-电化学原理-第九章-金属的电沉积过程解析
电化学沉积的原理和应用
电化学沉积的原理和应用原理电化学沉积是一种通过外加电位来控制金属和其他物质在电极表面沉积的方法。
它基于电化学原理，即在电解质溶液中，通过电极之间的电流进行反应，从而使得物质在电极表面进行沉积。
电化学沉积的主要原理可归纳为以下几点：1.电解质溶液：电化学沉积需要在电解质溶液中进行。
这种溶液通常包含一个可供沉积的金属离子，以及其他辅助剂和添加剂。
电解质溶液的成分对沉积物的性质和质量起着重要作用。
2.电极：电化学沉积需要使用两个电极：阳极和阴极。
阳极是由要沉积的金属或物质构成，而阴极则是导电材料，通常是金属。
在沉积过程中，金属离子在电流的作用下从溶液中被还原到阴极表面。
3.外加电位：通过控制外加电位，可以调节沉积速率、尺寸和形状。
正电位会促使金属离子被还原并沉积到阴极上，而负电位则相反。
通过精确控制外加电位，可以获得所需的沉积结果。
4.电化学反应：电化学沉积是通过电化学反应实现的。
当外加电位施加在电解质溶液中时，阳极上发生氧化反应，而阴极上发生还原反应。
这导致金属离子从溶液中被还原并沉积在阴极表面。
应用电化学沉积在各个领域都有着广泛的应用。
以下是一些常见的应用领域：1. 电镀电镀是电化学沉积最常见的应用之一。
通过在金属表面沉积一层金属镀层，可以提高金属材料的表面整体性能，如耐腐蚀性、抗磨损性和外观美观性。
电镀广泛应用于汽车制造、家电制造、珠宝制造等行业。
电镀还可以用于制备导电材料，如导电膜、导电网格等。
这些导电材料在电子器件制造和传感器制造等领域发挥着重要作用。
2. 纳米材料制备电化学沉积可以用来制备各种纳米材料。
通过控制反应条件和沉积参数，可以获得具有特定形貌和粒径的纳米材料。
这些纳米材料在材料科学、能源储存和催化剂等领域具有广泛应用前景。
3. 生物医学应用电化学沉积可用于生物医学应用中，例如制备人工关节、植入材料和生物传感器等。
通过在材料表面沉积具有特定形态和特性的材料，可以提高生物医学材料的生物相容性和性能。
第九章_金属的电沉积过程要点
有不同配位数的各种络离子都有，其浓度
也不相同。
2、金属络离子阴极还原机理
（2）配位数较低、浓度适中的络离子在电极 上得到电子而还原。 原因：配位数低，还原所需的能量小； 浓度适中，才能有一定的量。
2、金属络离子阴极还原机理
（3）当有两种络合剂存在，而一种络离子 又比另一种络离子容易放电，则在表面转 化步骤之前，还要经过不同类型配位体的 交换过程。
衡电位，并获得一定过电位。
一、金属离子从水溶液中阴极还原的 可能性
2、某金属在阴极析出的充分条件： 溶液中其他粒子不会优于该金属在阴极上 首先析出。 例如：金属离子还原电位比氢离子还原电 位更负，则氢在电极 上优先大量析出，金 属就很难沉积出来。
一、金属离子从水溶液中阴极还原的 可能性
3、从周期表中的位置，判断金属离子从水 溶液中还原的可能性：
（从难放电的络离子形式转变为易放电的络 离子形式。）
2、金属络离子阴极还原机理
• 例如：氰化镀锌溶液中存在两种络合剂， NaCN 、NaOH 其阴极还原过程如下：
2 Zn(CN ) 2 4 OH Zn ( OH ) 4 CN 配位体交换 4 4 Zn(OH ) 2 Zn ( OH ) 2 OH 4 2 Zn(OH ) 2 2e Zn(OH ) 2 2吸附 Zn(OH ) 2 Zn 2 OH 2吸附 晶格中
第九章 金属的电沉积过程
定义：通过电解的方法，在电解池阴极
上，金属离子通过还原反应和电结晶过
程在固体表面生成金属层。
目的：改变固体材料的表面性能或制取 特定成分和性能的金属材料。
第九章 金属的电沉积过程
§9.1 金属电沉积的基本历程和特点 §9.2 金属的阴极还原过程 §9.3 金属的电结晶过程
电沉积的基本原理
电沉积的基本原理电沉积呀，就像是一场微观世界里超级有趣的“金属搬家”游戏呢！咱先来说说电沉积发生的舞台——电解液。
这电解液就像是一个充满各种小粒子的热闹“小广场”。
这里面有金属离子，它们就像一个个等待被安排新住所的小居民。
比如说，要是想电沉积铜，那这个电解液里就有铜离子在里面游来游去。
这些离子在溶液里可不安分，它们被周围的水分子或者其他溶剂分子包围着，就像一个个小明星被粉丝簇拥着一样。
然后呢，咱得有电极。
电极就像是这个“搬家”游戏里的起点和终点。
一般有阳极和阴极。
阳极就像是一个“资源供应站”，它会发生一些反应来提供电子或者离子。
阴极呢，那可是“目的地”，是金属离子们向往的新家。
比如说，在一个简单的电沉积铜的装置里，阳极可能是一块铜块，阴极可能是一块别的金属或者导电的材料。
当我们把这个装置接通电源的时候，就像给这个微观世界按下了启动键。
电源就像是一个指挥官，它开始指挥电子的行动。
电子从阳极出发，沿着导线像小蚂蚁搬家一样，朝着阴极跑去。
这个时候，阳极的铜块就不淡定了。
它开始失去电子，铜原子就变成了铜离子，进入到电解液这个“小广场”里。
这就像是家里的大人把东西拿出来放到外面，准备让别人搬走一样。
而在阴极那边呢，可是热闹非凡。
那些在电解液里游来游去的铜离子，一看到阴极这个诱人的“新家”，而且还有电子在那等着它们，就迫不及待地跑过去。
每个铜离子得到两个电子，就又重新变成了铜原子，然后乖乖地在阴极表面安家落户。
就像小孩子们找到自己的小房间，一个个排好队，在阴极表面形成一层铜的涂层。
电沉积可不光是这么简单的直线过程哦。
在这个过程中，还有很多小状况呢。
比如说电解液里的离子浓度会影响电沉积的速度和质量。
如果离子浓度太低，就像“小广场”里的居民太少了，那搬到阴极的金属原子数量就少，沉积的速度就慢。
而且，溶液里可能还有其他的离子在捣乱。
它们可能会和金属离子抢电子，或者影响金属离子到达阴极的路线。
这就像在搬家的路上有一些小调皮鬼在捣乱一样。
电化学第九章金属的电沉积过程
添加剂的影响
添加剂可以改变溶液的电导率、界面张力和金属离子的还原过程，从而影响电沉 积过程。
常用的添加剂包括络合剂、缓冲剂、表面活性剂等。
温度的影响
温度可以影响电沉积过程的反应速率和产物形貌，通常随着温度的升高，电沉积速率加快。
但温度过高可能导致析出金属结构松散和溶液中气体的大量析出。
04
CATALOGUE
总结词
镀镍是一种具有优良防腐蚀性能的金属 电沉积技术，具有较低的孔隙率和较高 的硬度和耐磨性。
VS
详细描述
镀镍层呈银白色，具有良好的抗腐蚀和抗 磨损性能，广泛应用于电子、电力、石油 化工和航空航天等领域。在镀镍过程中， 应控制电流密度、电镀液成分和温度等参 数，以确保获得高质量的镀层。
镀金
总结词
镀金是一种具有优良导电性能和抗氧化性能 的金属电沉积技术，具有美观的外观和良好 的延展性。
电化学第九章金属 的电沉积过程
目录
• 电沉积过程的基本原理 • 金属电沉积的种类与特性 • 电沉积过程的影响因素 • 电沉积的应用领域 • 电沉积技术的发展趋势与展望
01
CATALOGUE
电沉积过程的基本原理
电沉积的定义
总结词
电沉积是指通过在电解液中施加电流，使金属离子还原并沉积在阴极表面上的过程。
03
CATALOGUE
电沉积过程的影响因素
金属离子的影响
金属离子浓度
金属离子浓度越高，电沉积速率越快，但过高的浓度可能导致析 出金属颗粒粗大。
络合剂
络合剂可以控制金属离子的水解和聚合，从而影响电沉积过程。
金属离子的电荷和半径
金属离电沉积过程。
流电沉积和脉冲电沉积。
电沉积的物理化学基础
金属电沉积理论
金属电沉积理论一.研究概况在电化学中,金属的电化学沉积学是一种最古老的学科。
在电场的作用下，金属的电沉积发生在电极和电解质溶液的界面上，沉积过程含有相的形成现象。
首先，在金属的电化学沉积实验的研究时间要追溯到19世纪，并且在引进能产生直流电的电源以后，电镀很快成为一种重要的技术。
电镀被用来制造各种不同的装饰性和功能性的产品，尽管在开场的早期，电镀技术的开展和应用建立是在经历的根底上。
金属电沉积的根本原理就是关于成核和结晶生长的问题。
1878年，Gibbs在他的著名的不同体系的相平衡研究中，建立了成核和结晶生长的根本原理和概念。
20世纪初，Volmer、Kossel、Stransko、Kaischew、Becker和Doring用统计学和分子运动模拟改良了根本原理和概念。
按照这些早期的理论，成核步骤不仅要求一个新的三维晶体成核，而且完美单晶外表的层状二维生长。
对于结晶理论的一个重要改良是由Avrrami提出的结晶动力学，他认为在成核和生长过程中有成核中心的重复碰撞和相互交迭。
在1949年，Frank提出在低的过饱和状态下的一个单一晶面成长会呈螺旋状生长。
Cabrera和Frank等考虑到在成长过程中吸附原子的外表外表扩散作用，完善了螺旋成核机理。
20世纪二三十年代，Max、Volmer等人对电化学结晶进展了更为广泛的根底研究。
Erday-gruz和Volmer是第一次认识到过饱和度与过电位，稳态电流密度和由电荷转移引起的电结晶过电位之间的关系。
20世纪三四十年代，Finch和他的同事做了大量的关于多晶电化学沉积的实验，研究了决定结晶趋向与金属薄膜的组织构造的主要因素。
在这一时期，Gorbunova还研究了底层金属与电解质溶液组成对电结晶过程的影响，并发现了由于有有机添加剂的吸附作用可能导致金属晶须的生长。
1945年，Kaischew对电结晶理论做了重大改良。
考虑到单一晶体外表上金属原子的结合和分开的频率，可利用分子运动学模拟电化学结晶过程。
第9章金属的电沉积过程
⑵阴极还原产物不是纯金属而是合金有利于还原 反应的实现。
⑶在非水溶液中，由于各种溶剂性质不同于水， 往往在水溶液中不能阴极还原的某些金属元素， 可以在适当的有机溶剂中电沉积出来。
⑷电沉积层的质量
电
化
学
原
理
3、溶剂对金属电化学性质的影响
表9-2金属在水和某些有机溶液中25℃时的标准电极电位(V) 电极 Li|Li+ K|K+ Na|Na+ Ca|Ca2+ Zn|Zn2+ Cd|Cd2+ Pb|Pb2+ H|H+ Ag|AgCl,ClCu|Cu2+ Hg|Hg2+ Ag|Ag+ H2O -3.045 -2.925 -2.714 -2.870 -0.763 -0.402 -0.129 0 0.222 0.337 0.789 0.799 CH3OH -3.095 -2.925 -2.728 --0.74 -0.43 -0 -0.010 --0.764 C2H5OH -3.042 --2.657 ----0 -0.088 ---N2H4 -2.20 -2.02 -1.83 -1.91 -0.41 -0.10 0.35 0 --0.77 -CH3CN -3.23 -3.16 -2.87 -2.75 -0.74 -0.47 -0.12 0 --0.28 -0.23 HCOOH -3.48 -3.36 -3.42 -3.20 -1.05 -0.75 -0.72 0 --0.14 0.18 0.17
目前认为 电结晶过 程有两种 形式
一是阴极还原的新生态吸附原子聚集形成晶核，晶 核逐渐长大形成晶体；
一是新生态吸附原子在电极表面扩散，达到某一位 置并进入晶格，在原有金属的晶格上延
电化学第九章_金属的电沉积过程
讨论：络合物不稳定常数越小， 平衡电位下降越多；而平衡电位越负， 还原反应越难进行。
2、金属络离子阴极还原机理
（1）金属络离子的存在形式： 在络盐溶液中，金属以简单金属离子到具 有不同配位数的各种络离子都有，其浓度 也不相同。
2、金属络离子阴极还原机理
（2）配位数较低、浓度适中的络离子在电极 上得到电子而还原。 原因：配位数低，还原所需的能量小； 浓度适中，才能有一定的量。
金属元素在周期表中的位置愈靠右边，化学 活泼性越弱，还原的可能性越大。
一、金属离子从水溶液中阴极还原的 可能性
0 1.5V 铬分族
一、金属离子从水溶液中阴极还原的 可能性
4、分析金属离子能否沉积时，还应考虑以下 因素：
①金属以络离子存在时，其平衡电位会明显 负移，还原更加困难。
例如：铁、钴、镍以水溶液形式存在时，可 在阴极还原；而以络盐形式存在时，不能 在阴极还原。
2、金属络离子阴极还原机理
（3）当有两种络合剂存在，而一种络离子 又比另一种络离子容易放电，则在表面转 化步骤之前，还要经过不同类型配位体的 交换过程。
（从难放电的络离子形式转变为易放电的络 离子形式。）
2、金属络离子阴极还原机理
• 例如：氰化镀锌溶液中存在两种络合剂， NaCN、NaOH 其阴极还原过程如下：
化学动力学参数可能不同。
§9.2 金属阴极还原过程
一、金属离子从水溶液中阴极还原的可能性 二、简单金属离子的阴极还原 三、金属络离子的阴极还原
一、金属离子从水溶液中阴极还原的 可能性
1、某金属在阴极析出的必要条件： 阴极的电位负于该金属在该溶液中的平
衡电位，并获得一定过电位。
一、金属离子从水溶液中阴极还原的 可能性
电化学原理第四版李荻课件
THANKS
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05
CHAPTER
超级电容器技术与应用
利用电极与电解质界面形成的双电层或电极表面快速可逆的氧化还原反应来储存能量。
基本原理
充电速度快、功率密度高、循环寿命长、温度范围宽、绿色环保等。
特点
优点
能量密度高、充放电速度快等。
工作原理
通过电极表面快速可逆的氧化还原反应来储存能量，电极材料通常采用金属氧化物或导电聚合物。
充电过程
正极板上的二氧化铅和负极板上的铅在电解液的作用下，分别生成硫酸铅和水，同时有电子在外电路中流动，形成充电电流。
放电过程
硫酸铅和水在正极板和负极板上分别还原成二氧化铅和铅，同时有电子在外电路中流动，形成放电电流。
镍镉电池
01
以氢氧化镍作为正极，氢氧化镉作为负极的一种碱性蓄电池。具有大电流放电特性好、耐过充和过度放电等优点，但存在记忆效应和环保问题。
在放电过程中，铝阳极与水和电解质中的氢氧根离子发生反应生成氢氧化铝和氢气，同时释放出电子产生电流；空气中的氧气在阴极接受电子被还原成氢氧根离子。充电时，逆向反应进行，氢氧化铝得电子被还原成铝沉积在阳极上。
优缺点
铝空气电池具有高的理论比能量、低成本和环境友好等优点；但是存在铝阳极自腐蚀、氢氧化铝沉积等问题导致电池性能衰减。
铂、钯等贵金属具有良好的催化活性和稳定性，广泛应用于燃料电池、有机合成等领域。
铂族金属催化剂
通过合金化可以改善贵金属的催化性能和降低成本，如铂钌合金、铂铑合金等。
贵金属合金催化剂
纳米级贵金属催化剂具有高比表面积和优异的催化活性，应用于电催化、光催化等领域。
贵金属纳米催化剂
03
非贵金属氮化物催化剂
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第二节 金属的阴极还原过程 金属离子从水溶液中阴极还原的可能性 ：
平＋
满足上式金属离子才能从水溶液中还原。
简单金属离子的阴极还原
M n mH2 0 ne M mH2O
步骤： 水分子的重排和水化程度的降低 水化离子转变为吸附原子（离子） 吸附原子（离子）转变为金属原子
金属络离子的阴极还原
过电位的大小决定电结晶层的粗细程度。
在已有界面上的延续生长
直接在生长 点放电
通过扩散进入 生长点
新生态吸附原子在电极表面扩散，达到 某一位置并进入晶核，在原有金属的晶 格上延续生长。
盐溶液中结晶过程 过饱和度越大，结晶出来的晶粒越小；
过饱和度越小，结晶出来的晶粒越大；
在一定过饱和度的溶液中，能继续长大 的晶核必须具有一定大小的尺寸 。
电结晶形核过程规律
电结晶时形成晶核要消耗电能，所以平衡 电位下不能形成晶核，只有达到一定的阴 极极化值时（析出电位）才能形核；
第八章 金属的电沉积过程
第一节 金属电沉积的基本历程的特点
一.基本历程 液相传质 前置转化 电荷传递 电结晶
二.金属电沉积过程的特点
阴极过电位是电沉积过程进行的动力； 双电层的结构，特别是粒子在紧密层中
的吸附对电沉积过程有明显影响； 沉积层的结构、性能与电结晶过程中新
晶粒的生长方式和过程密切相关，同时 与电极表面（基体金属表面）的结晶状 态密切相关。
机理：（以氰化镀锌为例）
ZnCN
2
4
4OH
ZnOH
2
4
4CN
配位体交换
ZnOH
2 4
ZnOH 2
2OH
ZnOH
2 4
2e
ZnO降低
电子转移
ZnOH
2 2
(吸附）＝Zn(晶格中）
2OH
进入晶格
第三节 金属电结晶过程
金属电结晶的形式 阴极还原的新生态吸附原子聚集形成晶
核，晶核长大称晶体；