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氯化胆碱-尿素低共熔溶剂中锌的电沉积研究

低共熔溶剂,电沉积,锌镀层

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）的氧化还原的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（vs. Ag）为-1.207 V。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E_p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D_Zn(Ⅱ)为6.67×10^-8 cm²·s^-1。在–1.141 ~ –1.147 V下测定CA曲线，通过拟合CA曲线和理论曲线对比发现，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，锌镀层是由六方晶相的多晶锌构成的。动电位极化曲线测试表明，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中锌镀层的单位面积增重（0.822 g/dm²）远高于水溶液（0.182 g/dm²）。结论 Zn（Ⅱ）在ChCl-Urea DES中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。ChCl-Urea DES中可获得与水溶液中耐蚀性相当的锌镀层，且单位面积增重远高于水溶液。