水对AlCl_3-BMIC离子液体电沉积铝的影响
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第22卷第5期 Vb1.22 No.5 中国有色金属学报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals 2012年5月 May 2012 文章编号:1004.0609(2012)05-1468-07 水对AICI3.BMIC离子液体电沉积铝的影响 裴启飞,华一新,李艳,崔焱,刘成虎 (昆明理工大学冶金与能源工程学院,昆明650093) 摘要:采用循环伏安和线性扫描伏安法研究水对摩尔比为2:1的A1C13一BMIC离子液体电化学性质的影响。结 果表明:随着含水量的增加,铝的还原峰电流密度减小,阴极和阳极极化过电位增加,槽电压不断升高。当离子 液体含水量低于1.39 mol/L时,电流效率稳定在94%~95%;继续增加含水量到1.67 mol/L时,电流效率从94% 下降到64.7%。当离子液体含水量低于1.39 mol/L时,沉积层变得更致密;当含水量增加到1.67 mol/L时,沉积 层变得疏松。离子液体含水量为1.39 mol/L时,铝的纯度超过99.9%。 关键词:水;离子液体;电沉积;铝 中图分类号:TF111 文献标志码:A Effect of water on electr0dep0siti0n of aluminum from AICI3-BMIC ionic liquid PEI Qi—fei,HUA Yi—xin,LI Yan,CUI Yah,LIU Cheng—hu (Faculty of Metallurgical and Energy Engineering,Kunming University of science and Technology, Kunming 650093,China) Abstract:The effect of water on electrochemical characteristics of A1C1 .BMIC ionic liquid with molar ratio of 2:1 was investigated by cyclic voltammetry and linear sweep voltammetry.The results show that the cathodic peak current density decreases,the overpotential values of cathode and anode increase and the cell voltage increases with water concentration increasing in the ionic liquid.Furthermore,the cell voltage,current eficifency and surface morphology of aluminum electrodeposits are affected by amount of water in ionic liquid.The current eficifency is various in the range from 94%to 95%when the water concentration is below 1.39 mol/L.while it decreases sharply from 94%to 64.7%when the water concentration is increased to 1.67 mol/L.The deposit layer becomes more compact when the water concentration of ionic liquid is below 1.39 mol/L,but it becomes loosen when the water concentration is increased to 1.67 mol/L.The purity of aluminum deposit is over 99.9%when the water concentration is 1.39 mol/L. Key words:water;ionic liquid;electrodeposition;aluminum 离子液体是由有机阳离子和无机阴离子组成在低 温(一般低于100℃)下呈液态的熔盐。与常规溶剂相 比,离子液体具有电化学窗口宽、电导率和离子迁移 率高、可室温操作、几乎不挥发、毒性小等优 ]。 目前,研究者已从A1C13.TMPAC、AIC13.EMIC、 A1C1 .BPC等离子液体中电沉积出铝[3 14J,并通过添加 剂(如苯、甲苯等 改善沉积层质量。KAMAVARAM 等[ ]在100℃下用A1C13.BMIC离子液体作为电解质 电解精炼含铝79.77%的铝合金A360,可在阴极上得 到纯度为99.89%的电解铝,电流效率可达98%,能耗 这些离子液体的优点为铝电解精炼提供了一种新的途 径。 基金项目 国家自然科学基金资助项目(50864009,50904031);高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20070674001)05—19 收稿日期 2010一O1一lO;修订日期:2011. 5162008:E—mail:huayixin ̄}gmail.corn 通信作者 华一新,教授,博士;电话:0871第22卷第5期 裴启飞,等:水对A1CI3-BMIC离子液体电沉积铝的影响 1469 仅为3.0 kW・h/kg—A1,比传统三层液电解精炼铝的能 耗15—18 kW・h/kg—A1降低了80%~83%,操作温度降 低660~710℃。李艳等【】6]采用摩尔比为2:1的 A1C1 BMIC离子液体电解精炼纯度为92.12%的铝合 金,在阴极铜基体上获得纯度超过99.9%的金属铝, 且直流电耗最低仅为0.61 1 kW・h/kg.A1。 目前,用于电沉积铝的离子液体以A1CI 型离子 液体为主。但是,此类离子液体在空气中易吸水,并 且会与之发生强烈的化学反应。SAHAMI和 OSTERYOUHG["】以铂为工作电极采用伏安法研究了 水对碱性AIC13。BPC离子液体中电化学行为的影响, 研究发现,加水后离子液体的循环伏安曲线与加水前 相比发生了明显的变化;还发现离子液体与水反应生 成了HC1且溶于离子液体中。ABBOTT等[】8]研究发 现,在1 的A1C13.BTMAC离子液体中存在0.5 otol 水时,水对其电化学性质仅有很小的影响。本文作者 将水滴加到摩尔比为2:1的A1C1 一BMIC离子液体中, 观测到离子液体与水发生强烈的化学反应,生成白色 物质并溶于离子液体,同时放出HC1气体。当 A1C1 一BMIC离子液体中有水存在时,可能会对其电化 学性质以及铝的电沉积产生影响。因此,研究水对离 子液体电解精炼铝的影响,深入了解水在电解精炼过 程中的行为,对推动离子液体电解精炼铝新技术的发 展具有重要的作用。 1 实验 1.1试剂 实验所用的氯代正丁烷、N.甲基咪唑、无水三氯 化铝、甲苯、分子筛等均为市售AR试剂。氯代正丁 烷、乙酸乙酯和N.甲基咪唑在使用前分别用分子筛除 水,然后进行蒸馏提纯;甲苯先用分子筛除水,再用 浓硫酸萃取除去甲基噻吩,然后蒸馏提纯。其它试剂 未做进一步处理。 1.2实验方法 经提纯处理过的氯代正丁烷和N.甲基咪唑,按摩 尔比1.2:1的量加入三颈瓶中,甲苯作为溶剂,在80 ℃,氩气保护气氛下,搅拌回流48 h。反应结束后, 产物经分层除去部分溶剂和未反应物,用乙酸乙酯反 复洗涤,减压蒸馏残留的乙酸乙酯,80℃下真空干燥 12 h以上,得到淡黄色黏稠性的氯化1.丁基.3.甲基咪 唑(BMIC)液体。 在真空手套箱中按摩尔比为2:1的量分别称取 A1C1 和BMIC,将BMIC置于三口瓶中,在氩气保护 气氛下,分批加入A1C1,并不断搅拌,三口瓶用冰水 浴冷却。反应完毕,得到淡黄色的A1C1 一BMIC离子 液体,将其分装到玻璃杯中密封备用。 在离子液体中加入超纯水,待水与离子液体反应 生成的白色物质完全溶解之后再进行电化学测试。电 化学测试采用PCI4/300型电化学工作站,循环伏安测 试以玻碳(GC)电极(捌mm)作为工作电极,铂(Pt)丝 作为辅助电极,高纯铝丝(99.99%1插入摩尔比为2:l 的A1C13.BMIC离子液体中作参比电极,装有参比离 子液体的玻璃管底端采用多孔陶瓷密封。实验前,工 作电极经晶相砂纸打磨平整,然后用0.5 gm的Al 0 粉抛光至镜面,再依次放入丙酮、稀中用超声波 清洗,超纯水冲洗干净。Pt电极用抛光粉打磨光亮, 然后用丙酮、超纯水超声清洗。参比铝丝依次用去污 剂、丙酮和超纯水清洗。 在氩气保护气氛下分别将不同量的水加入到离子 液体中,然后在80℃下用磁力搅拌足够长的时间使水 与离子液体反应生成的物质完全溶解在离子液体中, 并在离子液体中放置纯铝片(99.95%)以去除溶于离子 液体中的HC1,取出纯铝片制得不同含水量的离子液 体电解质。 恒电流电解电沉积采用CHI760D型电化学工作 站,电解时用磁力搅拌并保持恒定搅拌速度,在80℃ 下沉积4 h,电流密度为10 mA/cm2。电解时将电化学 工作站的参比电极与辅助电极一起连接到阳极,所测 电势即为槽电压,取平均值为整个电解过程槽电压。 采用双阳极电解,纯铝片(99.95%)作阳极,浸入离子 液体面积为1.0 cmX 1.0 cm的纯铜片(99.95%)作阴极, 电极间距1 cm。电沉积前,阴极铜片先用砂纸打磨至 光亮无划痕,然后清洗干净,冷风吹干,称量备用。 实验完毕,取出阴极放入乙腈溶液溶去沉积层表面的 离子液体,蒸馏水清洗干净,干燥称量。采用 XL30ESEM.TMP型扫描电子显微镜(SEM)及附带的 能谱分析仪(EDS)分析铝沉积层的形貌和纯度。 电流效率( )=(实际电沉积铝的质量/阴极所通过 电量下理论沉积铝的质量1×100%。 2结果与讨论 2.1电化学测试 采用循环伏安(cV)和线性扫描伏安(LsV)测定水 对摩尔比为2:1的A1C13.BMIC离子液体电化学性质的 影响。图1所示为不同含水量离子液体在GC电极上 1470 中国有色金属学报 2012年5月 一 昌3.vuI)/占IsII 菪Q工J芦 式中: 为玻尔兹曼常量,1.38X10t J/K; A1,C1 离子半径,m。 为 在摩尔比为2:1的A1C13.BMIC离子液体中,含铝 的配阴离子有AlCl4、AI2o7和A13Clio,其中A12c1 占主要部分【2”。当离子液体中有水存在时,水会与离 子液体中的AICl4、AI2cF和A1 Clio反应生成 A14C190 ̄、A12C150一、A13C180一和Al3C17O(OH)一等 多种含铝配阴离子【 。水的存在不仅消耗了A1C14、 AI,cb和Al Wo的数量,使离子浓度降低,而且反 应生成的一些离子较大的含铝配阴离子会增加离子液 Potential(VS AI(III)/A1)/V 体的黏度,使A1C14和A1,cl 等离子扩散受阻,此外, 离子液体含水也可能会对 目的值产生影响。由式(3 可知,液体中A1,cl 浓度降低和扩散系数减小,都会 使峰值电流密度降低。还原峰值电流密度降低,还原 电位下在玻碳电极上沉积铝的量减少,对应的氧化峰 值电流密度也降低。 不同含水量下阴极与阳极LSV曲线如图2所示, 电位扫描分别为-0.1—0.4和0-0.45 V,扫描速度为5 mV/s。由图2可以看出,含水量对铝的析出电位和阳 极起始氧化电位影响不大,随着离子液体含水量的增 加,阴极和阳极极化过电位增加。与铝在GC电极上 图1含水量对A1CI3一BMIC离子液体循环伏安曲线的影响 Fig.1 Effect of water concentration on cyclic voltammo- glams ofAICl3一BMIC ionic liquid 的CV曲线,电位扫描从1 v开始,向负方向移动, 达到一1 V之后回扫到1 V,扫速为50 mV/s。由图1 中纯AIC13一BMIC离子液体的CV曲线可以看出,当 电位从1 V移动到 点附近时,铝开始在GC电极上 一 lII3.《吕.) 【沉积,随着电位的不断负移,还原峰c 出现,电位回 扫到 点附近时,沉积在GC电极上的铝开始被氧化, 随着电位的正移,氧化峰 出现。离子液体中铝的还 原和氧化反应方程如下: 11还原反应 4A12C17+3e AI+7A1C14 (1) 的还原原理相同,随着水量的增加,铜电极表面可以 还原出铝的A1,cF浓度不断降低,导致电流密度下 降,即电流密度一致时,需要更负的电位。根据式(21 可知,离子液体中A1Cl ̄浓度的降低和扩散系数的减 小导致阳极极化过电位增高。 (2) 21氧化反应 AI+7A1C14一÷4A12C17+3e 当离子液体含水时,随着含水量的增加,还原峰(Ct~C5) 和氧化峰 )的峰值电流密度逐渐减小。 由式(1)可知,离子液体中还原出铝的配阴离子是 A12c17,还原电流密度 可用下式表示[19]: JC(等)“ 嗽,_C’A Vl1/2 ) 8.314 J/(K‘mo1); 为热力学温度,K; n-’ I1 一 (3) :为A12C17 Potential(VS AI(III)/A1)/V 式中:n为反应所转移的电子数,0.75;尺为气体常数, 的扩散系数,cm2/s;c 一为A1,C17物质的量浓度, mol/cm ;1,为扫描速率,V/s;j 为准可逆电流函数; 图2含水量对阴极和阳极极化的影响 Fig.2 Effect of water concentration on polarisation behavior 由式(3)可知,还原电流密度与AI2cl 的扩散系数、浓 度及 目的值有关,而扩散系数又与离子液体的黏度 有关【20]: DA1 c of cathode and anode kBT (4) 2.2水对铝电沉积槽电压的影响 图3所示为含水量与槽电压的关系。由图3可以 第22卷第5期 裴启飞,等:水对AIC13一BMIC离子液体电沉积铝的影响 1471 看出,槽电压随离子液体含水量的增加而升高。电解 槽接触良好,外阻可以忽略,槽电压丘可用式(5)来表 示【 4l: =(qA+rlc)+1R 式中: 和叩c分别为阳极和阴极过电位,V; 为通 过电解液的电流,A;R为电解液的内阻,Q。由式(5) 可知,槽电压与阴极和阳极极化过电位及电解液的内 阻有关。 由图2中的阴极和阳极极化曲线可知,阴极和阳 极极化过电位都随着含水量的增加而增大。此外,离 子液体与水反应的生成物也会降低离子液体的电导 率,增大离子液体的内阻。受两者的共同影响,槽电 压随着含水量的增加而升高。 根据铝电解精炼的直流电单耗( 与槽电压的关 系有 ] /^0盘 一W::—QEave —仉ff 式中: 。为平均槽电压,V;r/elf为电流效率,%;Q 为铝的电量系数,2 980A・h/kg。由式(6)N ̄11,在电流 效率一定的情况下,随着槽电压升高,直流电单耗增 加,这对铝的电解精炼不利。 Water concentration/(mol・L一 ) 图3含水量对槽电压的影响 Fig.3 Effect of water concentration on cell voltage 2.3水对铝电沉积电流效率的影响 含水量对铝电沉积电流效率的影响如图6所示。 由图6可以看出:纯离子液体中铝在铜基体上电沉积 的电流效率为94.4%;当含水量不超过1.39 mol/L时, 铝电沉积的电流效率稳定在94%-95%之间,继续增加 含水量到1.67 mol/L时,铝沉积的电流效率突然下降 到64.7%。 LAI 6]研究发现,离子液体中的有机阳离子和 杂质会腐蚀铝沉积层。在纯离子液体中铝电沉积的电 流效率只有94.4%,可能是阴极沉积出的铝被腐蚀而 返溶到离子液体中及溶液电阻消耗了部分电量的缘 故。离子液体含水量不超过1.39 mol/L时,离子液体 中的A1。Cl 浓度仍能够满足铝的电沉积,水对电流效 率影响不大。当含水量增大到1.67 mol/L时,阴极表 面的A1,c17浓度不能满足铝电沉积需要的量,使电流 效率急剧降低。 Water concentration/(mol・L一 1 图4含水量对电流效率的影响 Fig.4 Effect ofwater concentration on current efifciency 2.4沉积层形貌分析 在电流密度为10 mAJcm 的条件下,沉积4 h之 后,根据阴极铝致密层的增质量算得铝沉积层平均厚 度约为40 gm。图5(a)所示为纯离子液体中铝沉积层 形貌。由图5(a)可以看出,沉积层表面由松散的块状、 柱状和片状颗粒组成,颗粒之间的间距较大,表面不 致密平整。图5(b 所示为离子液体中加入0.28 mol/L 水之后沉积层的表面形貌,由图5Co1可以看出,沉积 层的铝颗粒变得细化,表面致密均匀,沉积层呈片状 结构生长。随着含水量的增加,沉积层的铝颗粒变得 更细化,表面也更加致密均匀,如图5(c)和(d)所示。 由图2中的阴极极化曲线可以看出,随着含水量的增 加,阴极极化过电位增高,过电位增高,晶粒的生长 受阻,晶核的形成速度加快,沉积层结晶细致。而当 含水量达到1.67 mol/L时,阴极表面缺少放电的 A1,C17,金属离子一般在棱角和凸出部位放电,出现 大块的颗粒,如图5f 所示。 图6所示为离子液体含水量为1.39 mol/L时铝沉 积层的EDS谱。由图6可以看出,铝的峰很强,离子 液体即使含有少量的水仍然可以沉积出纯度超过 99.9%的铝。 0 ∞备2Jnu 第22卷第5期 裴启飞,等:水对A1C1rBMIC离子液体电沉积铝的影响 1473 LI Ru-xiong.Green solvent—synthesis and application of ionic liquid[M].Beijing:Chemical Industry Press,2004:10—27. 【2】 邓友全.室温离子液体一新型的精细化学品【J].精细化工原料 及中间体.2007(10):3-4. 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