金属的电沉积过程
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
金属电沉积过程
金属电沉积过程嘿，咱今儿就来唠唠这金属电沉积过程。
你说这金属电沉积，就像是一场奇妙的魔法表演！想象一下啊，金属离子就像是一群调皮的小精灵，在溶液里欢快地游来游去。
而电呢，就像是那神奇的魔法棒，给这些小精灵施了魔法，让它们乖乖地在电极上聚集、沉积。
那这个过程是咋回事呢？简单来说，就是金属离子在电场的作用下，从溶液里跑出来，然后在电极上形成一层金属镀层。
这就好比是盖房子，那些金属离子就是一砖一瓦，一点点地堆积起来，最后就建成了漂亮坚固的金属层。
这过程可不简单呐！就说这金属离子吧，它们得有合适的条件才能乖乖听话。
要是溶液的成分不对，或者电流、电压不合适，那它们可就不乐意好好沉积啦，要么沉积得不均匀，要么干脆就不沉积。
这就像小孩子挑食一样，得给它们合适的“食物”，它们才会茁壮成长。
而且啊，这电极也很关键呢！就好像舞台对于演员一样重要。
要是电极的表面不光滑，或者有杂质，那金属沉积上去也不会好看，就像一件衣服上有了污渍，多难看呀！所以电极得好好准备，给金属离子一个舒适的“家”。
在这个过程中，时间也是个重要的因素。
沉积的时间短了，那金属层可能就薄薄的，不结实；时间长了呢，又可能会浪费电，还可能会出现一些意想不到的问题。
这就跟做饭似的，火候和时间都得掌握好，不然做出来的菜可就不好吃啦！那金属电沉积有啥用呢？用处可大啦！比如说可以用来电镀，让一些普通的金属制品变得闪闪发光，像新的一样。
还可以用来制造电池呀，那些小小的电池里可都有金属电沉积的功劳呢！咱再想想，要是没有金属电沉积，那我们的生活得少多少乐趣和便利呀！那些漂亮的首饰、精致的电子产品，可能都不会是现在这个样子。
所以说呀，这金属电沉积虽然看不见摸不着，但它却在默默地为我们的生活做贡献呢！你说这金属电沉积是不是很神奇？是不是很值得我们去深入了解和研究？我觉得呀，这就是科学的魅力，小小的一个过程，却蕴含着大大的学问。
咱们可得好好探索，说不定还能发现更多有趣的东西呢！这金属电沉积，真的就像是一个神秘的宝藏，等着我们去挖掘呢！。
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
应用电化学41金属电沉积和电镀原理ppt课件
2）络离子的还原
设 氰化物镀铜电解液基本组成
CuCN 35g/L（0.4 mol/L） NaCN 48g/L （1.0 mol/L） Cu＋ 与CN－形成的络离子可能有[Cu(CN)2]-、 [Cu(CN)3]2-、 [Cu(CN)4]3-等不同形式，认为主要存在形式是[Cu(CN)3]2其在水中的电离平衡为：[Cu(CN)3]2-＝Cu＋＋3CN－
阴极性镀层 当镀层与基体金属形成腐蚀电池时，镀层因电位比基体更
正，基体金属首先受到腐蚀溶解，这时镀层为阴极性镀层。 阴极性镀层仅能对基体起到机械保护作用，不能起到电化
学保护作用，如：
铁上镀Sn： Sn2 /Sn －0.14V Fe2 /Fe －0.44V?
形成腐蚀电池时，Sn为阴极，Fe为阳极
(4) 电铸
提纯金属或湿法冶金
(5) 电加工 某些精密的零件，机械加工困难，可采用电加
工成型技术
(6) 表面处理 制备特殊用途材料如发泡镍、中空镍纤维等
(7) 高科技 如电沉积法制备一维纳米线
(8) 材料制备 制备催化材料、复合材料、金属膜材料等
常规电镀对电镀层的基本要求： 通常对电镀层要求：
镀层与基体结合牢固，一定的厚度及厚度均匀 镀层结构致密、孔隙率小等。 进一步要求：镀层内应力小、柔韧性好、有一定的硬度、
自行车轮镀铜镍铬； 吊灯等灯具电镀仿金镀层或仿银镀层； 仪器仪表盘装饰性电镀缎面镍；
功能性镀层 功能性镀层是具有特定功能和特定意义的镀层， 通常是只对 某一种零件和某一种特殊使用条件下所要求的特殊功能，因 此功能性镀层包括的项目较多，而且随着技术的发展和应用 的开发，今后还会越来越多，如： •耐磨镀层： 提高零件的表面硬度，增加抗磨损性能（如直 轴、曲轴、气缸， 纺织机械中的各种辊桶镀硬铬或喷涂陶磁 微粒）； •减磨镀层： 多用于滑动接触面，需要电镀韧性好的金属， 如轴瓦，轴套等镀Sn、Pb-Sn、Pb-In等；
金属的电沉积
(P83)
由此我们可以得出络合离子的直接还原理论的结 论是：络合物的电解液中，在阴极上直接放电的 络合离子既不是简单的金属离子，也不是浓度最 大的具有特征配位数的络合离子，而是配位数较 低、且浓度适中的络合离子。 关于络合离子的直接还原理论，我们可以通过以 下几方面作进一步的阐述： 为什么不是配位数较高的络合离子放电？ (1) 配位体和金属离子形成络合离子以后，使得
考虑了未通电时络合离子的离解平衡反应，而没 有考虑到通电以后电极反应的特征。那么，在溶 液中的不同配位数的各种络合离子又是哪一种络 合离子在电极上直接放电呢？例如在碱性镀锌溶 液中，电解液的组成主要是ZnO和NaOH，OH-离 子和Zn2+离子形成络合物的形式有以下几种：
Zn2+ + OH- Zn(OH)+ + OH- Zn(OH)2 Zn(OH)2 + OH- Zn(OH)3- + OH- Zn(OH)4当OH-离子的浓度比Zn2+离子的浓度大的多时， 锌的氢氧络离子的特征配位数为4，即在碱性镀
[M(H2O)x]n+ + ne = M + xH2O 实际上，它的还原过程是分好几步进行的，具体如
下：
(1) 水合金属离子失去部分水化膜 [M(H2O)x]sn+ [M(H2O)x-y]吸附n+ + yH2O
(2) 电子在电极和离子之间跃迁，生成带有部分 水化层的金属原子
[M(H2O)x-y]吸附n+ +ne = [M(H2O)x-y]吸附 (3) 金属原子失去剩余的水化膜变成金属原子
[M(H2O)x-y]吸附= M原子 + (x-y) H2O M原子 → M晶核 M晶核 → M晶格 上述还原反应的历程实际上只适合一价金属离
电沉积原理
第六节 镀液的整平作用 二、整平作用的机理
1、整平剂的特点 强烈吸附，极化阻抗大，提高阴极过电 位； 被还原或夹杂在镀层里，峰上的消耗大 于谷中的消耗； 受扩散过程控制，峰上的吸附大于谷中 的吸附。
续
2、整平剂的扩散控制理论要点： 整平剂的极限扩散速度：JL=D CO /δ 峰上扩散速度快，吸附多，极化阻抗大， 电流密度小，金属沉积量少，谷中的情 况正好相反，从而起到整平作用。
1.
2.
可填平金属表面的微观粗糙（< 0.5mm ）由电流和金属在微观表面上的分布所 决定，又称为微观分散能力。 与宏观分散能力的差别： 峰谷等电位 扩散层沿外轮廓面的不均匀分布
第六节 镀液的整平作用 一、整平作用的形式
几何整平（δ峰=δ谷） 谷深有所减小 负整平（δ峰>δ谷） 谷深加深 正整平（δ峰<δ谷） 谷深减小
3、阳极的溶解 钝化 自溶解 不溶性阳极
第三节 金属的电结晶
吸附原子到生长点并入晶格，在原有基 体金属的晶格上生长 吸附原子相互聚集形成晶核，成为新的 生长点
第三节 金属的电结晶 一、过电位在电结晶中的意义
1、过饱和度在结晶过程中的作用 结晶的必要条件 影响形核速度和晶核长大的速度 2、过电位在电结晶过程中的作用 平衡电位 过电位
La
Hf
Ta
Re
Os
Ir
Pt
Au Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
第一节 电镀溶液 一、组成
1. 2. 3. 4. 5. 6.
主盐 络合物 导电盐 缓冲剂 阳极活化剂 添加剂（细化晶粒、整平、润湿等）
第一节 电镀溶液 二、类型
1、单盐镀液（水合离子） io 小，结晶细致，添加剂可起到整平和 光亮作用 io 大，结晶粗糙疏松，必须加入添加剂 才可获得结晶细致的镀层 2、铬酸镀液（Cr2O72- 和CrO42- 离子）
第二章 金属电沉积
第四节 金属的电结晶
1、直接放电机理 1931年由Volmer首先提出：认 为放电过程只能在晶体生长点上发生。
Ⅳ
Ⅰ
C B Ⅲ Ⅱ 吸附 原子
A
第四节 金属的电结晶
2、表面扩散机理：1929年由Brandes首先提出。 金属表面上总存在一定浓度的吸附原子；金属离 子放电形成吸附原子，并扩散结合进入晶格这两 个过程不是同时发生，且一般不在同一地点。
ik C C (1 ) iL
s i 0 i
扩散过电位：
ik RT 扩 平 扩 ln(1 ) nF iL RT i 扩 ln L
nF iL ik
当其他条件不变时，ik越大，ηc也越 大 ；iL越大， ηc越 小 。因为 iL=nFDCi0/δ ，可采取以下措施减 小浓差极化： 增大扩散系数（提高温度）； 减少扩散层的厚度（加强搅拌）；
第二章 金属电沉积
一、金属配离子阴极还原的可能性
二、金属配离子的阴极还原
三、传质步骤和电子转移步骤 四、金属的电结晶 五、电沉积的形态和结构 六、金属在阴极的共沉积
七、金属阳极与阳极过程
第一节 金属配离子阴极还原的可能性
电源 O2 + _ H2 + O2
H+
Ni2+ OH阳极 阴极
Ni
阳极
在水溶液中，金属离子析出的顺序是怎样的？
浓差极化方程式
ik RT RT s 0 0 扩 ln Ci ln[ci (1 )] nF nF iL
0
ik RT RT 0 ln Ci ln(1 ) nF nF iL
金属的电沉积
金属电沉积的基本原理就是关于成核和结晶生长的问题金属的电沉积是通过电解方法，即通过在电解池阴极上金属离子的还原反应和电结晶过程在固体表面生成金属层的过程。
其目的是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。
金属电沉积应用的领域也很广泛，通常包括电冶炼、电精炼、电铸和电镀四个方面，它的这些应用使其受到了越来越多的关注，因此，研究并掌握电沉积过程的基本规律变得尤为重要。
金属沉积的阴极历程，一般由以下几个单元步骤串联组成：（1）液相传质：溶液中的反应粒子，如金属水化离子向电极表面迁移。
（2）前置转化：迁移到电极表面附近的反应粒子发生化学转化反应，如金属水化离子水化程度降低和重排；金属络离子配位数降低等。
（3）电荷传递：反应粒子得电子，还原为吸附态金属原子。
（4）电结晶：新生的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，或与其他新生原子聚集而形成晶核并长大，从而形成晶体。
上述各个单元步骤中反应阻力最大、速度最慢的步骤则成为电沉积过程的速度控制步骤。
不同的工艺，因电沉积条件不同，其速度控制步骤也不同。
1.2 金属电沉积过程的特点电沉积过程实质上包括两个方面，即金属离子的阴极还原（析出金属原子）的过程和新生态金属原子在电极表面的结晶过程（电结晶）。
前者符合一般水溶液中阴极还原过程的基本规律，但由于电沉积过程中，电极表面不断生成新的晶体，表面状态不断变化，使得金属阴极还原过程的动力学规律复杂化；后者遵循结晶动力学的基本规律，但以金属原子的析出为前提，又受到阴极界面电场的作用。
因而二者相互依存、相互影响，造成了金属电沉积过程的复杂性和不同于其他电极过程的特点。
（1）与所有的电极过程一样，阴极过电位是电沉积过程进行的动力。
然而，在电沉积过程中，只有阴极极化达到金属析出过电位时才能发生金属离子的还原反应。
而且在电结晶过程中，在一定阴极极化下，只有达到一定的临界尺寸的晶核，才能稳定存在。
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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。
2
电子转移
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；
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 。
金属络离子的阴极还原
机理：（以氰化镀锌为例）
ZnCN 4OH ZnOH 4CN
2 4 2 4
配位体交换 配位数降低
ZnOH ZnOH 2 2OH
2 4
2 4 2 2
ZnOH 2e ZnOH (吸附）
ZnOH 2 (吸附）＝Zn(晶格中） 2OH
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 ：
满足上式金属离子才能从水溶液中还原。
平＋
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
电平衡 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；
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