泡沫锌电沉积制备研究.doc

/week114 泡沫锌电沉积制备研究 田庆华，薛平，段炼，郭学益 （中南大学冶金科学与工程学院，湖南 长沙 410083） qinghua4321@ 摘  要：泡沫锌由于具有三维网状结构、孔隙率高、比表面积大、质量均匀、活性好，因此 将是替代锌粉成为锌-空气电池新的理想的电极材料，并在许多领域得到广泛应用。本研究 以聚氨酯泡沫为基体，经脱脂、粗化、活化、化学镀、电沉积等工艺制备了泡沫锌材料。同 时，全面探讨了溶液组成（硫酸盐的浓度）及操作条件（极距、阴极电流密度、电镀液温度、 pH 值）对泡沫锌镀层形貌以及电镀过程中电流效率的影响。确立了电沉积制备泡沫锌的优 化工艺参数，制备得到了三维网状结构的、高孔隙率且光亮性好的的泡沫锌材料。 关键词：电沉积，泡沫锌，化学镀，聚氨酯，泡沫金属 中图分类号：TQ153 1 前言 锌-空气电池，是以空气中的氧作为正极活性物质，金属锌作为负极活性物质的化学电 源，具有比能量高、原材料便宜易得、工作电压平稳、安全性好等优点，能广泛应用于电动 汽车、通讯、照明等领域，被称为是“面向二十一世纪的绿色能源”[1]。传统锌-空气电池 常用雾化锌粉压制并还原烧结成型作为负极活性物质；部分锌-空气电池的研发机构提出了 采用比表面积远大于雾化锌粉的树枝状锌粉作为其负极材料，使电池具有大功率和高能量等 优点[2]。 为了进一步改进锌-空气电池的性能，我们提出了采用具有更高比表面积、更高能量密 度的金属锌泡沫材料（以下简称“泡沫锌”）替换锌粉，以显著提高锌-空气电池的功率和 能量。泡沫金属制备方法有多种，如铸造法、烧结法、粉末冶金法、电沉积法、气相蒸发沉 积法等[3-5]，采用聚氨酯泡沫为基体的电沉积法生产的泡沫金属孔隙率高、结构均匀、机械 性能好[6]，本文详细介绍了用电沉积方法制备泡沫锌的工艺。 2 实验 2.1 试剂与仪器 主要试剂及材料：无水乙醇、NaOH 、Na2CO3、Na3PO4、KMnO4、H2SO4、C2H2O4、 CuSO4·5H2O、HCHO、PdCl2、HCl (37%)、SnCl2·2H2O、NaCl、ZnSO4、Al2(SO4)3、KAl(SO4)2、 Na2SO4等均为分析纯，聚氨酯泡沫（日本BRIDGESTONE公司产）； 主要仪器设备：直流稳压电源、霍尔槽、恒温水浴锅、真空干燥箱、精密pH计、电沉 积槽、JSM-5600LV扫描电镜。 1 /week114 2.2 实验流程 泡沫锌的制备步骤：聚氨酯泡沫→有机溶剂脱脂→化学脱脂→粗化→除膜→活化→化学 镀→电沉积→泡沫锌。 3 结果与讨论 3.1 预处理 聚氨酯泡沫为非导体，不能直接进行电沉积，必须在电沉积前对泡沫基体进行导电化处 理，这一步骤又称为表面金属化，包括脱脂、粗化-除膜、活化、化学镀四个主要步骤。 3.1.1 脱脂 脱脂又称除油，其目的在于除去聚氨酯泡沫表面的脱模剂及污垢，以确保非金属制件表 面能均匀的进行表面活化。有机溶剂脱脂是利用有机溶剂能溶解可皂化油和不可皂化油的物 理性质将聚氨酯泡沫的表面油污除去的过程，其特点是能除去各类油脂，脱脂速度快，对基 体腐蚀小或无腐蚀[7 、8] 在零件的表面上形成一层油膜，导致脱脂不彻底，因此还需要化学脱脂进行补充处理。 本实验选用有机溶剂脱脂和化学脱脂结合进行，先采用无水乙醇作为有机脱脂剂，将聚 氨酯泡沫在室温下浸入其中处理60s；取出水洗5min后，浸入采用NaOH（35 g/L）、Na2CO3 （25 g/L）、Na3PO4（10 g/L）、OP乳化剂（0.5ml/L）组成的化学脱脂剂中，在室温下处理 5min，并用清水冲洗5min。通过联合脱脂，有效地保证了聚氨酯泡沫脱脂的彻底性，保障了 后续活化溶液的寿命。 3.1.2 粗化-除膜 化学粗化又名浸蚀，具有除油污能力强、粗化速度快、适用范围广、溶液配制简单等优 点，是非金属表面金属化最为关键的工序，对后续镀层的结合力及平整性有很大的影响。 图 1 粗化前泡沫基体的形貌图  图 2 粗化后泡沫基体的形貌图 本实验选用KMnO4（1g/L）、H2SO4（0.05ml/L）组成的粗化剂，pH值保持在2～3之间， 加热溶液温度至45℃，将脱脂处理后的泡沫基体浸入粗化液中5min。图1和图2分别为粗化前 后的泡沫基体微观形貌图，可以清楚的看到粗化后的聚氨酯泡沫骨架上呈显微粗糙，产生很 2。由于附着在泡沫基体表面的有机溶剂挥发后，其所带的油污就被留 。由于附着在泡沫基体表面的有机溶剂挥发后，其所带的油污就被留 /week114 多“毛刺”，使泡沫基体表面产生了一定的粗糙度，有效地提高了金属镀层与非金属基体的 结合力。由草酸（10g/L）配制成的弱除膜液可以有效的消除粗化工艺后残留在泡沫表面的 大量高锰酸钾残留物。 3.1.3 活