铜电极上铅电沉积行为的研究

摘要

金属铅具有较高的化学惰性和耐腐蚀性能，在铅酸蓄电池、半导体材料和电致变色材料的制备等方面具有广泛的应用价值。因此，铅的电沉积行为一直是人们感兴趣的课题。另外，铅及其化合物可在人体内积累，对人体有较大毒性，并且危害环境安全，因此铅的电化学回收和检测也研究的较多。
　　铅的过电位沉积成核机理和铅的欠电位沉积虽然也有较多报道，但应用原位椭圆偏振光谱技术研究铅电沉积的报道极少。本论文通过循环伏安技术、计时电流技术、扫描电子显微技术、X射线能谱技术、原位椭圆偏振光谱技术以及量子化学计算等方法，研究了100mmol/LKNO3溶液中铅在铜电极表面的电沉积行为，结果显示，铅能够在铜电极表面发生欠电位沉积和过电位沉积，沉积过程受扫描速率、铅离子浓度、阴离子种类、极化电位和沉积时间等的影响。并探讨了这些因素的影响机理，取得的主要成果如下：
　　铅在铜电极表面的欠电位沉积过程为一不可逆的、扩散控制的二维成核过程。用原位椭圆偏振—循环伏安法研究阴极极化过程中铅欠电位沉积的特征，有效介质模型拟合结果表明，扫描速率为2mV/s时，铅在铜电极表面的覆盖度在阴极扫描过程中不断增加，但是阴极电位扫描过程得到的铅沉积层很薄，还不能达到铜基体可以被光学忽略的程度。
　　增加溶液中铅离子浓度，铅在铜电极表面的欠电位沉积峰电位向阳极方向移动，这是因为铅离子浓度的增加导致整个平衡电极电位变正，所以欠电位沉积的电位也会随之正移，欠电位沉积更为容易。
　　氯离子能够促进铅欠电位沉积的动力学过程，原因是氯离子能在铜电极表面发生特性吸附，使得ψ1电位变负，从而有助于带正电的铅离子在电极表面的还原。而乙酸根离子促进了铅在Cu(100)晶面的欠电位沉积，却抑制了铅在Cu(111)晶面的欠电位沉积，原因是乙酸根离子优先选择吸附在Cu(100)晶面，而促进带异号电荷的铅离子在Cu(100)晶面发生还原反应。
　　铅在铜电极表面上的过电位沉积过程为三维成长结晶方式。在没有氯离子或乙酸根离子等阴离子添加剂存在时，铅在铜电极表面的过电位沉积为连续成核。氯离子和乙酸根离子的加入，促进了铅在铜电极表面过电位沉积的成核过程，使得铅的过电位沉积由连续成核转变为瞬时成核，并且促进作用为氯离子大于乙酸根离子。
　　用原位椭圆偏振—计时电流法研究铅过电位沉积的过程，单层膜模型拟合结果证明，当沉积时间达到60s，沉积层厚度大于40nm时，沉积的铅层完全覆盖了原来的铜基体，因此铜基体就可以被光学忽略，沉积铅层完全可以作为光学基体。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 金属欠电位沉积的研究进展

1.3 椭圆偏振光谱法

1.4 课题背景和学术意义

1.5 本课题的主要研究内容

1.6 本课题的创新之处

2 实 验

2.1 化学试剂及实验仪器

2.2 实验装置

2.3 实验方法和原理

2.4 理论计算

3 铅的电沉积行为研究

3.1 铅的电沉积行为

3.2 铅的欠电位沉积行为

3.3 铅的过电位沉积行为

3.4 本章小结

4 氯离子对铅电沉积行为的影响

4.1 氯离子对铅欠电位沉积行为的影响

4.2 氯离子对铅的过电位沉积行为的影响

4.3 本章小结

5 乙酸根离子对铅电沉积行为的影响

5.1 乙酸根离子对铅欠电位沉积行为的影响

5.2 乙酸根离子对铅过电位沉积行为的影响

5.3 本章小结

6 阴离子对铅电沉积影响的比较

6.1 阴离子对铅欠电位沉积影响的比较

6.2 阴离子对铅过电位沉积影响的比较

6.3 本章小结

7 原位椭圆偏振光谱法研究铅的电沉积

7.1 极化电位对铅欠电位沉积层的影响

7.2 沉积时间对铅过电位沉积层的影响

7.3 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附 录