第九章_金属的电沉积过程要点
电化学第九章 金属的电沉积过程 2012
表面扩散与并入晶格
两种方式：放电粒子直接在生长点放电而就地并入晶 格；放电粒子在电极表面任一位置放电，形成吸附原 子，然后扩散到生长点并入晶格。
晶体的螺旋位错生长
晶面上的吸附原子扩散到位错的台阶边缘时，可沿位 错线生长。
直接在生长 点放电
通过扩散进入 生长点
ZnOH 2 2e ZnOH (吸附）
ZnOH (吸附）＝Zn(晶格中） 2OH
2 2
电子转移
进入晶格
第三节
金属电结晶过程
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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，晶核长大成晶体；
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。
简单金属离子的阴极还原
M
n
mH 2 0 ne M mH 2 O
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
络合剂加入后，与金属络合会使其在溶液中存 在形式和电极上放电的粒子发生改变。 1.使金属电极的平衡电位向负移动。 如 Ag在1mol/L的AgNO3中：
x 6.4 1023 mol/ L
e 0
平
0.0591 lg x 0.533V n
∴ 移动了-1.289V! K 不稳越小， 平 负移越多。 平 越负，金属阴极还 原的初始析出电位也越负，即从热力学角度还 原反应越难进行。
金属络离子的阴极还原机理
溶液中存在不同配位数的络离子和金属离子， 它们的浓度各不相同，当络合剂浓度较高时， 具有特征配位数的络离子是金属在溶液中的主 要存在形式。 例如：锌酸盐镀锌：络合剂NaOH过量，主 要存在 ZnOH 4 2 ，还存在低浓度的 ZnOH 3 , ZnOH 2 , ZnOH 和少量锌离子等。
电化学沉积法原理
电化学沉积法原理电化学沉积法是一种利用电化学原理进行金属或合金沉积的方法。
它是通过在电极表面施加外加电压或电流，使金属离子在电极表面还原成金属沉积的过程。
电化学沉积法在材料制备、表面修饰、电化学传感器等领域有着广泛的应用。
电化学沉积法的原理主要包括电极反应和电沉积过程。
在电化学沉积过程中，电极上的金属离子受到外加电压的影响，发生还原反应，从而在电极表面沉积金属。
电极反应的速率和方向取决于外加电压、电极材料、电解液成分等因素。
一般来说，当外加电压足够大时，金属离子会在电极表面快速还原成金属，形成均匀的沉积层。
电化学沉积法的原理还涉及到电解质传递和扩散控制。
在电沉积过程中，电解质中的金属离子需要通过扩散层到达电极表面，然后参与电极反应。
因此，电解质的浓度、电解质的流动情况以及电极表面的形貌都会对电化学沉积过程产生影响。
合理控制电解质的传递和扩散，可以实现对沉积层厚度、结构和性能的调控。
电化学沉积法的原理还与电极材料的选择密切相关。
电极材料的选择会影响电极表面的活性、结构和形貌，从而影响电化学沉积的效果。
一些特殊的电极材料，如纳米材料、多孔材料等，能够提高电极表面的比表面积和活性位点数，从而促进沉积层的形成和性能的提升。
总的来说，电化学沉积法是一种基于电化学原理的金属沉积方法，其原理涉及电极反应、电解质传递和扩散控制以及电极材料的选择。
通过合理控制这些因素，可以实现对沉积层的形貌、结构和性能的调控，从而满足不同领域对金属沉积的需求。
电化学沉积法在材料制备、表面修饰、电化学传感器等领域有着广泛的应用前景，对于推动材料科学和工程技术的发展具有重要意义。
电沉积方法制备纳米金属材料的步骤与操作
电沉积方法制备纳米金属材料的步骤与操作电沉积方法是一种重要的制备纳米金属材料的技术手段，其步骤与操作包括材料准备、电解液制备、电沉积实验、材料表征等多个方面。
首先，材料准备是制备纳米金属材料的第一步。
通常情况下，需要准备金属基底、电极材料、电解液等。
金属基底可以选择金、银、铜等常见的金属材料，其表面需要经过清洗和抛光处理，以去除可能存在的污染物和氧化物。
电极材料通常选用导电性好的材料，如银、铜等。
电解液的选择也十分关键，根据所需制备的纳米金属材料种类不同，电解液的成分和配比也会有所区别。
其次，电解液的制备是电沉积方法的重要环节。
电解液的组成主要包括金属盐、溶剂和添加剂。
金属盐的选择应根据所需制备的纳米金属材料种类而定，可选择铜盐、银盐等。
溶剂的选择应具备较好的溶解性和稳定性，并且能够提供适当的电导率。
添加剂的加入可以调节电解液的酸碱度、粘度和离子浓度等，以获得所需的性质。
在制备过程中，需要按照一定的配比将金属盐、溶剂和添加剂混合，并搅拌均匀。
接下来是电沉积实验的操作。
在实验中，首先需要将制备好的电沉积槽和电解液连接起来，以形成电池电路。
然后根据所需纳米金属材料的形貌和性质设定好合适的电沉积参数，包括电流密度、电沉积时间、温度等。
将经过表面处理的金属基底作为电极放入电沉积槽中，确保与电解液充分接触。
开启电源后，电极表面就会开始沉积金属颗粒。
在整个沉积过程中，需要对电流密度和电沉积时间进行控制，以确保所得到的纳米金属材料具备所需性质。
最后是材料的表征。
通过对制备好的纳米金属材料进行表征可以了解其形貌、结构和性质等信息。
常用的表征方法包括扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）等。
通过这些表征手段可以观察到金属颗粒的形貌和尺寸分布，进一步分析其结晶状态和晶格结构，并通过相关测试方法得到材料的力学性能和电学性能等信息。
综上所述，电沉积方法制备纳米金属材料的步骤与操作主要包括材料准备、电解液制备、电沉积实验和材料表征等方面。
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
电沉积
电沉积是指简单金属离子或络合金属离子通过电化学途径在材料表面形成金属或合金镀层的过程。
电沉积的应用范围广泛，在材料科学技术（一级学科）；材料科学技术基础（二级学科）；材料合成、制备与加工（二级学科）；表面改性和涂层技术（二级学科）等学科中都有研究。
电沉积主要分为两个方面，分别是;(一)金属或合金从其化合物水溶液、非水溶液或熔盐中电化学沉积的过程；(二)电泳涂漆中的一个过程，在直流电场作用下带电荷的树脂粒子到达相反电极，通过放电(或得到电子)析出不溶于水的漆膜沉积在被涂物表面。
对电沉积现象的研究主要分为两个方面，分别是对电沉积形态的研究和对电沉积引起的晶格畸变的研究。
对电沉积形态的研究主要有电沉积中结晶形态控制技术[1]与合金薄层电沉积形态研究[2]等。
前者将分形几何引入到电化学中，基于DLA模型，通过将沉积粒子设置不同的沉积几率，成功模拟了射流电沉积中枝晶的可控交织生长，后者以铅锡合金为例，研究铅锡合金薄层电沉积物的形态及其形态随电解液含不同铅锡离子浓度的转变。
对电沉积引起的晶格畸变现象的研究，包括电沉积引起的位错现象与电沉积引起的孪晶现象的研究。
在电沉积过程中，不同工艺操作条件会使金属镀层产生内应力，同时产生大量位错[3]。
在电沉积的过程中也会产生孪晶。
分析表明，孪晶现象的产生会提高金属的力学能力，产生高强度金属材料[4-6]。
对电沉积的应用有电镀、电沉积塑性等。
其中，电沉积银在工业中得到了广泛的应用。
对电沉积银的研究包括对电沉积银的生长过程研究[7]、以及使用电沉积法制备新型发泡银催化剂[8]。
[1]田宗军，王桂峰，沈理达，刘志东，黄因慧.电沉积中结晶形态控制技术[J].创新交流.2011.(3):29-35.[2]杜燕军，尹志刚，夏同驰.铅锡合金薄层电沉积形态研究[J].电化学.2007.13(3):312-315.[3]赵祖欣.镍镀层内应力及镍镀层中的位错[J].表面技术.1992.21(5).205-207.[4]朱未. 超高强度高导电性的纳米孪晶纯铜[J].华通技术.2006.（1）：42.[5]卢磊,卢柯.纳米孪晶金属材料[J].金属学报.2010.46(11):1422-1427.[6]卢磊，陈先华，黄晓旭，卢柯.纳米孪晶纯铜的极值强度及纳米孪晶提高金属材料综合强韧性[J].中国基础科学.2010.(1):16-18.[7] C. H. Siah,N. Aziz, Z. Samad,N. Noordint, M. N. Idris and M. A. Miskam. FUNDAMENTALS STUDIES OF ELECTRO~SILVER PLATING PROCESS[J]. Proceedings of the 18th Symposiwn ofMalaysian Chemical Engineers:424-428.[8]李宝山，牛玉舒，翟玉春，全明秀，胡壮麒.电沉积法制备新型发泡银催化剂.石油化工.2000.29(12):910-913。
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
金属的电沉积过程
金属的电沉积过程电镀过程是镀液中的金属离子在外电场的作用下，经电极反应还原成金属原子并在阴极上进行金属沉积的过程。
图4.4是电沉积过程示意图，完成电沉积过程必须经过液相传质、电化学反应和电结晶三个步骤。
电镀时以上三个步骤是同时进行的，但进行的速度不同，速度最慢的一个被称为整个沉积过程的控制性环节。
不同步骤作为控制性环节，最后的电沉积结果是不一样的。
(1)液相传质步骤液相传质使镀液中的水化金属离子或络离子从溶液内部向阴极界面迁移，到达阴极的双电层溶液一侧。
液相传质有三种方式：电迁移、对流和扩散。
在通常的镀液中，除放电金属离子外，还有大量由附加盐电离出的其他离子，使得向阴极迁移的离子中放电金属离子占的比例很小，甚至趋近于零。
因此，电迁移作用可略去不计。
如果镀液中没有搅拌作用，则镀液流速很小，近似处于静止状态，此时对流的影响也可以不予考虑。
扩散传质是溶液里存在浓度差时出现的一种现象，是物质由浓度高区域向浓度低区域的迁移过程。
电镀时，靠近阴极表面的放电金属离子不断地进行电化学反应得电子析出，从而使金属离子不断地被消耗，于是阴极表面附近放电金属离子的浓度越来越低。
这样，在阴极表面附近出现了放电金属离子浓度高低逐渐变化的溶液层，称为扩散层。
扩散层两端存在的放电离子的浓度差推动金属离子不断地通过扩散层扩散到阴极表面。
因此，扩散总是存在的，它是液相传质的主要方式。
假如传质作为电沉积过程的控制环节，则电极以浓差极化为主。
由于在发生浓差极化时，阴极电流密度要较大，并且达到极限电流密度i d时，阴极电位才急剧地向负偏移，这时很容易产生镀层缺陷。
因此，电镀生产不希望传质步骤作为电沉积过程的控制环节。
图4.4电沉积过程(2)电化学反应步骤电化学反应水化金属离子或络离子通过双电层，并去掉它周围的水化分子或配位体层，从阴极上得到电子生成金属原子（吸附原子）的过程。
水化金属离子或络离子通过双电层到达阴极表而后，不能直接放电生成金属原子，而必须经过在电极表面上的转化过程。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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
§9.1 金属电沉积的基本历程和特点
配位数降低 电子转移
进入晶格
2、金属络离子阴极还原机理
（4）特别指出： • 络合剂使金属电极的平衡电位负移，改变了 电极的热力学性质；但对电极体系动力学性 质的影响不完全 一样。 • 例如：络离子不稳定常数越小，电极平衡电 位越负；但金属络离子在阴极还原时的过电 位不一定越大。
既符合一般水溶液中阴极还原过程的基本 规律，又受不断变化着的电极表面状态的 影响。
（2）新生态金属原子在电极表面的结晶 既遵循结晶过程动力学基本规律， 又受金属原子的析出及界面电场的影响。
三、金属电沉积过程的特点
（1）阴极过电位对金属析出和电结晶有重要影 响 阴极过电位 c 是电沉积过程的动力，只有阴极 极化达到金属析出电位时，才能发生金属离子 的还原反应。
总反应式：
M n mH2O ne M mH2O
• 需要指出：
二、简单金属离子的阴极还原
1、简单金属离子在水溶液中以水化离子形式存在。 它们在还原时经过以下过程： 水化离子周围水分子的重排和水化程度降低 ； 在电极表面 吸附（成为吸附原子或吸附离子）；
吸附原子脱去剩余的水化膜成为金属原子。
金属元素在周期表中的位置愈靠左边，化学
活泼性越强，还原的可能性越小。
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。
二、简单金属离子的阴极还原
2、多价金属离子的阴极还原符合第六章中 多电极反应的规律。
三、金属络离子的阴极还原
加入络合剂后，金属离子由水化金属离子转 变成不同配位数的络合离子，因而引起电 极体系的电化学性质的变化。
1、使金属电极的平衡电位向负移动
原因：由于络合剂与金属离子络合，使游 离的金属离子活度降低，所以电极电位负 移。
3、电荷传递：反应离子得电子，还原为吸附态 金属原子。 4、电结晶：吸附态金属原子沿电极表面扩散到 适当位置（生长点），进入金属晶格生长或 与其他新生原子集聚而形成晶核并长大。 上述各步骤中，速度最慢的步骤为电沉积过程 的速度控制步骤。
二、电沉积过程遵循的一般规律
（1）金属离子阴极还原析出金属原子
一、金属离子从水溶液中阴极还原的 可能性
②由于合金的活度比单金属小，所以金属以合金的形
式比以单金属的形式容易在阴极还原。
③不能在水溶液中还原的某些金属，可以在适当的有
机溶剂中沉积出来。例：铝、铍、镁可从醚中沉积
出来。
二、简单金属离子的阴极还原
• 简单金属离子在阴极上的还原历程遵循
第一节所述的金属电沉积基本历程。
• 基体金属的表面状态。
• 例如：不同的金属晶面上，电沉积的电 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
例如：
RT 银在1m ol/ LAgNO3溶液中的e ln a Ag 0.756 V F 加入1m ol/ LKCN后，e 0.533
0
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：
一、金属电沉积的基本历程 二、电沉积过程遵循的一般规律 三、金属电沉积过程的特点
一、金属电沉积的基本历程
金属电沉积的阴极过程，一般由以下单元步骤串 联组成：
1、液相传质：溶液中的反应粒子向电极表面 迁移。
2、前置转化：金属水化离子水化程度降低或
重排，金属络离子配 位数降低。
一、金属电沉致
三、金属电沉积过程的特点
（2）双电层结构，特别是离子在紧密层中 的吸附对电沉积过程有明显影响。 金属的析出速度和位置 吸附影响 金属的结晶方式和致密性 镀层结构和性能
三、金属电沉积过程的特点
（3）沉积层的结构、性能的影响因素有：
• 电结晶过程中新晶粒的生长方式、过程。