二甲基亚砜中稀土[Tm(Ⅲ)]及铁族[Co(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)]金属离子的电化学行为及电沉积

摘要

稀土合金作为功能材料具有优异的磁、光、电、超导等性质,有着巨大的应用前景,受到众多科学者的关注,尤其是稀土与铁族元素形成的合金材料目前研究较多。稀土合金薄膜的制备主要有气相沉积和电沉积法。其中气相沉积法如真空蒸镀、阴极溅射等,存在设备复杂、制备条件要求高,及环保与安全问题,相比之下,电沉积方法成本低、工艺简单,且所制取的合金膜形态、物理性能良好,是制备稀土合金的理想方法之一。
　　 本文研究了稀土(Tm3+)、铁族(Co2+、Ni2+)金属离子在不同电极(Au、C、Pt、Cu)上,于DMSO-LiClO4体系中的电化学行为；并进行稀土铥钴、铥镍合金的电沉积制备。首先,选择合适的电沉积体系是制备稀土合金膜材料的关键,根据稀土自身的性质,电沉积体系选择非水体系,用电导率仪测量不同浓度的DMSO-LiClO4和DMSO-LiCl的电导率,通过比较选择有机溶剂二甲基亚砜(DMSO)中加入支持电解质LiClO4作为电沉积体系的基础。用LK2005C型电化学工作站做出体系的循环伏安曲线图(CV),由图可得出DMSO-LiClO4体系的电化学窗口,符合实验所需。在此基础上展开下列研究工作:在DMSO-LiClO4体系中加入CoCl2或NiCl2配成CoCl2-LiClO4-DMSO体系或NiCl2-LiClO4-DMSO体系,用LK2005C型电化学工作站作出体系的循环伏安曲线、计时电流曲线、计时电位曲线、计时电量曲线,根据图得出相应的数据,求出Tm3+、Co2+、Ni2+的传递系数α、扩散系数D0。通过比较得知Co2+、Ni2+的传递系数和扩散系数值较大,而Tm3+的数值较小,分析稀土(Tm3+)及铁族(Co2+、Ni2+)金属离子电沉积的可逆性及电沉积的难易程度等。然后,在DMSO中进行稀土铥钴、铥镍合金的电沉积制备,在体系中添加柠檬酸后,沉积得到的合金具有金属光泽,附着力强。在不同电位下电沉积制备铥钴、铥镍合金,通过扫描电镜和X射线能谱仪研究合金的组成及形貌。结果表明:随着沉积电位的负移,合金中铥的含量先增大后减小；当沉积电位负移到一定值,合金粗糙,粘附性变差,分析是因为随着沉积电位的负移,金属离子的还原速率逐渐增大,但是溶液的浓差极化逐渐增大,所以当沉积电位负移到某一值后,电沉积速率变成主要受物质传递所控制,从而导致Tm在合金膜中的质量分数降低,沉积层质量变差。

目录

文摘

英文文摘

第一章 前言

1.1 稀土

1.1.1 稀土概述

1.1.2 稀土元素结构与性能

1.2 稀土合金功能材料的应用

1.3 稀土合金薄膜的制备方法

1.3.1 气相沉积法

1.3.2 电沉积法

1.4 金属电沉积理论

1.4.1 简单金属离子的还原

1.4.2 金属络离子的还原

1.4.3 金属电结晶动力学

1.4.4 金属电沉积过程中表面活性物质的作用

1.4.5 金属共沉积的条件

1.4.6 金属共沉积的类型

1.5 课题的研究意义及论文的主要内容

第二章 实验部分

2.1 主要药品与原料

2.2 实验仪器

2.3 实验方法及技术路线

2.3.1 实验方法

2.3.2 技术路线:

2.4 所需电极及前处理

2.4.1 所需电极

2.4.2 前处理

2.5 电沉积体系的选择

2.5.1 非水体系的选择及制备

2.5.2 支持电解质的选择

2.5.3 电化学窗口

2.6 无机盐的脱水及无水稀土硝酸盐的制备

第三章 稀土(TM3+)及铁族(CO2+、NI2+)金属离子的电化学行为

3.1 Co2+在LICLO4-DMSO体系中的电化学行为

3.1.1 Co2+在Au电极上的的电化学行为

3.1.2 Co2+在C电极上的的电化学行为

3.1.3 Co2+在Pt电极上的的电化学行为

3.1.4 Co2+在Cu电极上的的电化学行为

3.2 NI2+在LICLO4-DMSO体系中的电化学行为

3.2.1 Ni2+在Au电极上的的电化学行为

3.2.2 Ni2+在C电极上的的电化学行为

3.2.3 Ni2+在Pt电极上的的电化学行为

3.2.4 Ni2+在Cu电极上的的电化学行为

3.3 TM3+在LICLO4-DMSO体系中的电化学行为

3.3.1 Tm3+在Au电极上的的电化学行为

3.3.2 Tm3+在C电极上的的电化学行为

3.3.3 Tm3+在Pt电极上的的电化学行为

3.3.4 Tm3+在Cu电极上的的电化学行为

3.4 小结

第四章 稀土(TM3+)与铁族(CO2+、NI2+)金属离子的电沉积

4.1 TM-Co合金的电沉积

4.2 TM-NI合金的电沉积

4.3 小结

结论

参考文献

致谢

个人简历

攻读硕士学位期间所发表的论文目录