ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2015, том 51, № 3, с. 280-287
УДК 541.138
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫХОДА ПО ТОКУ ПРИ ПОЛУЧЕНИИ ПОРОШКОВ М/ГРАФИТ ЭЛЕКТРООСАЖДЕНИЕМ
© 2015 г. К. Дон, Т. Ма, Г. Ю1, Б. Ху*,2, К. Гуо, С. Жан
Хунаньский Университет, Чангша, КНР *Хунаньский технологический институт, Хеньян, КНР Поступила в редакцию 13.03.2014 г.
С целью повышения выхода по току при электроосаждении никеля на порошки графита было исследовано влияние температуры и плотности тока на выход по току на катоде. Методом поляризационных кривых в ванне для электроосаждения исследовалось влияние ее состава. Результаты показали, что оптимальный выход по току получается при отношении площадей анода и катода равном 1.0, плотности тока от —9 до —12 А дм-2 и температуре 55°С. Электроосаждением в течение 30 мин при прерывистом перемешивании получены порошки графита, покрытые никелем (60 вес. % N1). Измерением характеристик порошков методами сканирующей электронной микроскопии и энергорас-сеивающего рентгеновского анализа было показано, что достигнуто высокое заполнение поверхности никелем и однородное покрытие на порошках №/графит.
Ключевые слова: порошки №/графит, покрытые никелем; катодный выход по току; анодная активация; электроосаждение при прерывистом перемешивании
Б01: 10.7868/80424857015030044
ВВЕДЕНИЕ
Металлизированные порошки графита, как тип композитных материалов, обладают двойственной природой металла и графита; они отличаются высокой электропроводностью, теплопроводностью, способностью к автоматической смазке, устойчивостью по отношению к высокой температуре и антикоррозионной стойкостью. Их широко используют во многих отраслях промышленности. Практически для покрытия графитовых порошков используют такие металлы, как медь, серебро, золото, цинк, никель и др. Среди таких металл-графитовых композитных материалов порошки покрытого медью графита широко используют в производстве проводящих щеток и электродов [1, 2]. Порошки графита, покрытого серебром, имеют более высокую электропроводность, чем порошки, покрытые медью. Композитные материалы с низким трением и стойкие к истиранию находят применение в производстве особых проводящих щеток, радарных токосъем-ных контактных колец и проводящих связующих агентов [3]. Порошки графита, покрытого никелем (№/графит) с прекрасными магнитными свойствами могут быть использованы в качестве наполнителей в проводящей силиконовой смоле,
1 Адрес автора для переписки: yuganghnu@163.com (О.Уи).
2 Адрес автора для переписки: hbonian@163.com (В. Ни).
материалах для поглощения СВЧ-излучения и для экранирования электрических полей [4, 5]. К тому же углеродные композиты с никелевым покрытием можно использовать в катализаторах, материалах для запасания и хранения водорода и в электродных материалах [6-9].
Для приготовления композитов из покрытого металлами графита используют ряд методов: электроосаждение, осаждение с помощью газотранспортной химической реакции (СУО), физическое осаждение из газовой фазы (РУО), элек-трофоретическое осаждение (ЕРО), бестоковое осаждение и т.д. [10-13]. Среди них бестоковое осаждение - эффективный метод, но оно требует сложной предварительной обработки порошка графита перед осаждением. Были исследованы методы предобработки поверхности перед бестоковым осаждением, такие как двухстадийный метод активации в растворе ионов Рё2+ и одностадийный метод активации в растворе палладия и камеди [14, 15]. В литературе есть сообщения о бестоковом осаждении никеля на порошок графита [16, 17]. Однако, у этого метода много недостатков, например, низкая устойчивость ванны для осаждения металла, сложный процесс предобработки, высокая стоимость производства и сильное загрязнение окружающей среды в процессе бестокового осаждения никеля на порошок графита.
Приготовление ванны для электроосаждения
Рис. 1. Технологическая карта получения порошков Ni/графит электроосаждением.
По сравнению с бестоковым осаждением, электроосаждение никеля на порошки графита обладает рядом преимуществ, таких как высокая скорость осаждения, высокая химическая стабильность ванны для осаждения металла, возможность ее регенерирования, простое оборудование, легкость проведения процесса и удобство его контроля [18]. Электроосаждение никеля на порошки графита отличается от обычных способов электроосаждения на композиты [19, 20]. Вместо со-осаждения никеля и графита на катод, никель осаждается на поверхность частиц графита, образуя порошок №/графит. До сих пор появилось несколько публикаций об электроосаждении меди и цинка на порошки графита [21—23], но лишь в немногих обсуждается электроосаждение никеля на порошки графита.
Электроосаждение никеля протекает относительно трудно по причине весьма отрицательного потенциала восстановления никеля. Если электроосаждение ведется при потенциале осаждения никеля, то на катоде бурно выделяется газообразный водород, который не только уменьшает выход по току осаждения никеля, но и создает серьезную помеху образованию никелевого покрытия. Необходимо повысить катодный выход по току при приготовлении порошков №/графит, а также выход продукта. В настоящей работе было исследовано влияние состава ванны для электроосаждения, температуры и плотности тока на катодный выход по току при приготовлении порошков №/графит. Исследован оптимизированный процесс электроосаждения с высоким выходом по току, позволяющий получать порошки №/гра-фит с высоким содержанием никеля.
ПРИГОТОВЛЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОРОШКОВ №/ГРАФИТ
Приготовление порошков Ш/графит
Процесс получения порошков №/графит электроосаждением представлен на рис. 1.
Предварительная подготовка электродов. Как
правило, при высокой плотности тока никелевый электрод легко окисляется и пассивируется с образованием коричневатой оксидной пленки. Эта оксидная пленка удаляется вымачиванием в разбавленной азотной кислоте. Обработанный таким образом никелевый стержень был использован в качестве анода. Катодом служила ниобиевая пластинка, отполированная наждачной бумагой 800#.
Предварительная подготовка графитового порошка. Природный графит в форме хлопьев (содержание углерода >99%, плотность ~2.26 г дм-3, средний размер частиц 35 мкм, содержание воды <0.5%, весовой % золы <1%) был приобретен у компании Shandong Nanye Co., Ltd. (КНР). Для улучшения активности поверхности графитового порошка по отношению к осаждению металла и его адгезии графит обрабатывали согласно описанию, данному в таблице.
Ванна для никелирования. Состав ванны для никелирования включал 10 г дм-3 графитового порошка, 200 г дм-3 NiSO • 4.6H2O, 20-50 г дм-3 NiCl2 • 6H2O, 30 г дм-3 H3BO3, 1-5 г дм-3 NaH2PO2 • • H2O, 75 мг дм-3 конденсата алкилфенола и эпоксиэтана (ОР-10) и 75 мг дм-3 додецилсуль-фата натрия.
Все реактивы имели квалификацию "ч. д. а." и были приобретены у компании Shanghai Sinop-
Предобработка графитовых порошков
Методика Условия
Очистка Обжиг в муфельной печи при 400°С в те-
чение 60 мин
Укрупнение Обработка в 65% ЫМ03 в ультразвуко-
вом поле в течение 30 мин
Промывка Промывка дистиллированной водой
Сушка Сушка в вакуумной печи при 90°С в те-
чение 40 мин
Рис. 2. Схема прерывистого режима перемешивание— электроосаждение.
harm Chemical Reagent Co., Ltd. Все растворы готовили на дважды перегнанной воде.
Электроосаждение никеля на графитовых порошках. Ниобиевая пластинка, обладающая высокой противокоррозионной стойкостью по отношению к хлориду в ванне для электроосаждения, помещалась на дно реактора в качестве катода для электроосаждения на графитовых порошках. Стенки реактора были изготовлены из полихлорвинила. В растворе для электроосаждения был подвешен никелевый анод. Реактор был снабжен устройством для механического перемешивания. Перемешивание и электроосаждение проводили в разные периоды времени. Электроосаждение начинали после того, как графитовый порошок осаждался на пластинку-катод. Между электродами пропускали периодически изменяющийся ток. Полная процедура электроосаждения включала несколько циклов по 2 мин осаждения графитового порошка (выключение тока), 3 мин электроосаждения (импульс тока; осаждение никеля на графитовый порошок, покрывший катод во время его осаждения) и 2 мин перемешивания (выключение тока; для диспергирования графитового порошка и предотвращения частиц от прилипания к катоду). Во время перемешивания и осаждения графита ток выключался. Электроосаждение и перемешивание одновременно не проводились. Полный процесс продолжался в течение десяти циклов, т.е. около 70 мин. Эффективное время электроосаждения занимало 30 мин. Плотность тока электроосаждения составляла от —5 до —14 А дм-2 при установленной температуре. Время электроосаждения, перемешивания и осаждения контролировались с помощью реле и таймера. Перемежающиеся процессы перемешивания и электроосаждения схематически проиллюстрированы на рис. 2.
Обработка после электроосаждения, упаковка и хранение. После электроосаждения раствор для никелирования удаляли вакуумным фильтрованием. Отфильтрованный графитовый порошок
промывали дистиллированной водой и сушили в вакуумной печи при 60°С. Высушенный порошок Ni/графит упаковывали в запечатанные пакеты и хранили в сухом месте, вдали от высоких температур и сильного света.
Характеристики порошков Ni/графит и исследование свойств растворов для никелирования
Поляризационные кривые. Поляризационные кривые снимали в трехэлектродной ячейке, в которой электродом сравнения служил насыщенный каломельный электрод (нас. к. э.), вспомогательным электродом — платиновая пластинка площадью 3 см2, а рабочим электродом — никелевая пластинка площадью 1 см2. Кривые снимали на потенциостате (Interface 1000, Gamry Instruments, США) при скорости развертки потенциала 1 мВ с1.
Выход по току осаждения никеля. При электроосаждении никеля на пластинке-катоде бурно выделяется газообразный водород — по-видимому, это основная побочная реакция. К тому же нагревается электролит, на что потребляется некоторое количество электрической мощности. Поэтому выход по току осаждения Ni на порошок графита снижается почти в два раза.
Согласно закону Фарадея,
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.