氯化胆碱-尿素低共熔溶剂中锌的电沉积研究

摘要

目的研究锌在氯化胆碱-尿素低共熔溶剂(ChCl-Urea DES)中的电化学行为、电结晶机理、电沉积历程和耐蚀性。方法采用循环伏安(CV)和计时电流技术(CA),研究了锌在玻碳电极上的电化学行为和电结晶机理。采用扫描电子显微镜(SEM)和X射线衍射技术(XRD)对锌镀层的微观形貌和物相组成进行了表征。采用动电位极化曲线和电化学阻抗谱,对比研究了ChCl-Urea DES和水溶液中锌镀层的耐蚀性。结果CV测试表明,在Zn(Ⅱ)的氧化还原过程中仅出现了一对氧化还原峰,这说明Zn(Ⅱ)在ChCl-Urea DES中为一步还原及氧化,且还原峰电位为‒1.207 V(vs.Ag)。不同扫描速度下的CV曲线表明,还原峰和氧化峰的峰值电位Ep和峰值电流I_(p)均随扫描速率v的变化而有规律的偏移,这符合不可逆电极反应的特征。对I_(p)和v^(1/2)的关系进行了线性拟合,发现I_(p)与v^(1/2)之间符合线性关系,故可认为Zn(Ⅱ)的还原反应是受扩散控制的,进一步计算出扩散系数DZn(Ⅱ)为6.67×10^(‒8)cm^(2)/s。在–1.141~–1.147 V下测定CA曲线,通过对比拟合CA曲线和理论曲线发现,Zn(Ⅱ)在ChCl-Urea DES中的形核方式不符合三维瞬时成核和三维连续成核,是一种具有两种形核方式特征的混合形核。SEM结果表明,不同沉积时间下锌镀层的微观形貌相差较大。随着沉积时间的增加,锌晶粒由细小、粒径均一的颗粒逐渐变化成大小颗粒交叠存在的六方形立体结构,然后又变成线状或棒状的结构,最终转变为六方形的片状晶粒。XRD表明,锌镀层由六方晶相的多晶锌构成。动电位极化曲线测试和电化学阻抗图谱表明,在没有任何添加剂的情况下,ChCl-Urea DES可获得与水溶液中耐蚀性相当的锌镀层,且ChCl-Urea DES中锌镀层的沉积速率略高于水溶液。结论Zn(Ⅱ)在ChCl-Urea DES中的电沉积过程是受扩散控制的不可逆电极过程,形核方式不符合三维瞬时成核和三维连续成核,是一种具有两种形核方式特征的混合形核。锌镀层是由六方晶相的多晶锌构成的。在ChCl-Urea DES中可获得与水溶液中耐蚀性相当的锌镀层,且沉积速率略高于水溶液。