離子液體[EMIM]Br-AlCl3中恒電流沉積鋁

趙 海，徐聯(lián)賓，陳建峰，張鵬遠(yuǎn)

(北京化工大學(xué) 教育部超重力工程技術(shù)研究中心，北京 100029)

離子液體[EMIM]Br-AlCl3中恒電流沉積鋁

趙 海，徐聯(lián)賓，陳建峰，張鵬遠(yuǎn)

(北京化工大學(xué) 教育部超重力工程技術(shù)研究中心，北京 100029)

在磁力攪拌下，采用離子液體[EMIM]Br-AlCl3作為電解液并測其電導(dǎo)率，在不銹鋼片上利用恒電流法電沉積鋁，研究在AlCl3/[EMIM]Br摩爾比為2：1的離子液體中鋁的電沉積速率、電流效率和陰極表面形貌的影響因素。采用掃描電子顯微鏡(SEM)分析沉積鋁層的表面形態(tài), 采用X射線能譜儀(EDS)測試沉積鋁的純度。結(jié)果表明：離子液體[EMIM]Br-AlCl3的電導(dǎo)率隨著溫度的上升而增大，符合Arrhenius公式。電流密度，溫度、攪拌速率和沉積時間均影響鋁的沉積速率、電流效率和表面形貌。在電流密度為20 mA/cm2，溫度為40 ℃，攪拌速率為700 r/min，時間為60 min的條件下，所得鋁沉積層連續(xù)、致密、附著性好、顆粒狀且粒徑小；電流效率維持在80%以上，陰極鋁層純度達(dá)96%，其中少量的氧來自鋁的氧化。

磁力攪拌；離子液體；恒電流；沉積速率；電流效率

鋁是地殼中含量最豐富的金屬元素，具有耐腐蝕、抗氧化的性能，因此采用鋁鍍層的復(fù)合材料具有較好防腐效果。近年來，隨著國內(nèi)外市場對鋁的需求量不斷增加，如何更有效地回收和精煉鋁成為鋁電解領(lǐng)域的研究熱點。

常規(guī)的鋁電解是采用高溫電解法[1]和Hall-Héroult法[2]，這些方法雖然產(chǎn)量高，但是電解溫度高達(dá)850～900℃，存在高能耗、高污染等缺點。近幾年，人們在對室溫離子液體性質(zhì)進(jìn)行研究時發(fā)現(xiàn)，采用離子液體進(jìn)行鋁的電沉積具有很多優(yōu)點，因為離子液體除具有其他溶劑的特點以外，還具有自身的一系列優(yōu)越性[3?10]：1)液體狀態(tài)溫度范圍寬(?90～300 ℃)；2)高熱穩(wěn)定性和高化學(xué)穩(wěn)定性；3)電化學(xué)窗口較寬(3～5 V)；4)蒸汽壓比較低，幾乎趨于零；5)可以根據(jù)陰陽離子調(diào)節(jié)Lewis酸性；6)無污染且可以循環(huán)使用。這些優(yōu)點使得離子液體在電解鋁工藝中得到廣泛的關(guān)注和研究。

CHOLLIER等[11]研究了在離子液體 [EMIM]Cl-AlCl3中鋁的電沉積，雖然此離子液體熱穩(wěn)定性相對較好，但是其合成比較困難，成本比較高。ZHANG和YU[12]對離子液體[EMIM]Br-AlCl3(氯化1?乙基?3甲基?咪唑溴鹽)的性質(zhì)進(jìn)行了一系列研究，發(fā)現(xiàn)相對一般離子液體，該離子液體對空氣和水更穩(wěn)定，并且經(jīng)濟(jì)易得，電化學(xué)窗口寬達(dá)3.4 V，有利于鋁的沉積。

本文作者采用[EMIM]Br-AlCl3(氯化1?乙基?3甲基?咪唑溴鹽)離子液體，在磁力攪拌下，用恒電流法研究電流密度、溫度、轉(zhuǎn)速和沉積時間對鋁電沉積的影響。

1 實驗

1.1 實驗準(zhǔn)備

在高純氮氣(北京氧利來公司生產(chǎn))的保護(hù)下，稱取一定量的無水氯化鋁(北京化學(xué)試劑公司生產(chǎn))緩慢加入裝有[EMIM]Br(中科院蘭州化物所生產(chǎn))的三口燒瓶中，在恒溫水浴70 ℃中不斷攪拌2 h左右，使其充分反應(yīng)，反應(yīng)過程如下[13]：

由此配成AlCl3/[EMIM]Br摩爾比分別為1.6:1、2:1和2.4:1的離子液體。此過程為強(qiáng)烈的放熱反應(yīng)過程，需要控制操作溫度，防止生成物發(fā)生分解。剛配出的離子液體為透明略帶淺黃色，需要在氮氣保護(hù)下密封以供后面實驗使用。

將陰極所用的鋼片和陽極所用的鋁片用砂紙打磨光滑，以便陽極的鋁電解出來能很好地附著在陰極鋼片上。陰極鋼片經(jīng)除油堿(50%NaOH，21%Na3PO4，21%Na2CO3和8%Na3PO4)浸洗30 min，酸洗液(55%HNO3，45%H3PO4)浸泡5 min，無水乙醇浸泡5 min后，用去離子水沖洗干凈，風(fēng)干待用。陽極鋁片依次經(jīng)除油堿(83%Na3PO4，17%Na3PO4)浸泡30 min，無水乙醇中泡30 min后，然后用去離子水沖洗干凈，風(fēng)干待用。

1.2 反應(yīng)機(jī)理

[EMIM]Br-AlCl3電解液中，鋁離子主要是以陰離子[14]AlX4?、Al2X7?的形式存在，電解時AlX4?、Al2X7?在陰極鋼片上被還原成金屬鋁。

在呈堿性 (AlCl3/[EMIM]Br摩爾比小于1:1)的離子液體中，陰離子主要以X?、AlX4?的形式存在，其中AlX4?可能在陰極上放電被還原成金屬鋁[15]，發(fā)生的反應(yīng)如下：

在呈酸性(AlCl3/[EMIM]Br摩爾比大于1:1)的離子液體中，陰離子主要含有AlX4?、Al2X7?，由于Al2X7?的還原電勢比AlX4?正，所以Al2X7?在陰極最先放電被還原成金屬鋁[16]，發(fā)生的反應(yīng)如下：

由于在堿性的[EMIM]Br-AlCl3離子液體中，有些陽離子的還原電勢比AlX4?正， AlX4?不能在陰極放電而沉積出鋁，因此，鋁的沉積只有在酸性的離子液體中才能進(jìn)行。

1.3 離子液體電導(dǎo)率的測定

由于電解是離子在陰陽兩極放電，離子液體中電流的傳導(dǎo)是由帶電離子的運(yùn)動完成，所以電導(dǎo)率是電解過程中重要的影響因素[17?18]。然而，溫度和帶電離子的組成是影響電導(dǎo)率的重要因素，F(xiàn)ANNIN等[19]的實驗數(shù)據(jù)也表明了這一點。因此，在電解實驗前，用DDS?307型電導(dǎo)率儀(上海精密科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn))對AlC3/[EMIM]Br摩爾比分別為1.6:1、2:1和2.4:1的離子液體在不同溫度下進(jìn)行電導(dǎo)率測試，以確定合適的電解溫度和摩爾比范圍。

1.4 電沉積方法

在磁力攪拌下，采用工作電極(陰極)和對電極(陽極)兩電極電解，陰極為20 mm×25 mm不銹鋼片，陽極為20 mm×25 mm鋁片(純度65%)，兩電極之間距離為20 mm。在恒電流條件下，采用單因素法進(jìn)行試驗。研究電流密度、溫度、攪拌速率和沉積時間對鋁沉積速率和電流效率的影響。電解完后陰極先后經(jīng)丙酮浸泡5 min，無水乙醇浸泡5 min后，用去離子水沖洗干凈，風(fēng)干后對陰極產(chǎn)物進(jìn)行SEM觀察，分析表面的形貌，工作電壓為10 kV；EDS分析鍍層的產(chǎn)物的鋁含量和純度，工作電壓為20 kV。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同AlCl3/[EMIM]Br摩爾比離子液體的電導(dǎo)率

圖1 不同AlCl3/[EMIM]Br摩爾比離子液體的電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系Fig. 1 Relationship between conductivity and temperature of ionic liquid at various AlCl3/[EMIM]Br molar ratios: (a)σ—Tcurves; (b)lnσ—1/Tcurves

圖1所示為AlCl3/[EMIM]Br摩爾比分別為1.6:1，2:1和2.4:1的離子液體在不同溫度下的電導(dǎo)率。從圖1(a)可以看出，離子液體[EMIM]Br-AlCl3的電導(dǎo)率隨著溫度的增加呈不斷上升的趨勢，這是由于溫度的增加會降低離子液體的黏度，減小離子間的摩擦，增加離子的運(yùn)動能量，加快離子的遷移速度，從而使得電導(dǎo)率增加[20]。當(dāng)溫度達(dá)到80 ℃時，液體顏色開始改變；當(dāng)溫度達(dá)到120 ℃時，液體變成了深棕色。液體顏色隨著溫度增加逐漸變深，這種現(xiàn)象可能是由于離子液體發(fā)生了分解。圖1(b)所示為lnσ與1/T的關(guān)系。由圖1(b)可知，lnσ與1/T呈直線關(guān)系，符合Arrhenius規(guī)律[21]。根據(jù)其斜率可以算出摩爾比為1.6:1、2:1和2.4:1的活化能分別為14.15、16.24和19.09 kJ/mol。由此可知，電導(dǎo)率隨著AlCl3/[EMIM]Br摩爾比的增加反而降低，這是因為增加AlCl3含量會降低溫度對氫鍵作用和締合效應(yīng)的影響，使體系的溫度系數(shù)變小。由于AlCl3/[EMIM]Br摩爾比大于0.6時，離子液體中主要含Al2X7?，故本研究采用AlCl3/[EMIM]Br摩爾比為2:1的離子液體在溫度30～80 ℃范圍內(nèi)進(jìn)行實驗。

2.2 電流密度對鋁沉積的影響

在攪拌速率為700 r/min，溫度為40 ℃，電流密度為10～35 mA/cm2條件下，研究電沉積60 min后陰極鋁層的沉積速率和電流效率，并觀察陰極表面形態(tài)。圖2所示為電流密度對鋁的電沉積速率和電流效率的影響。由圖2可知，鋁的沉積速率隨著電流密度的增加呈上升趨勢，這種趨勢從圖中曲線的斜率可以看出，隨著電流密度的增加，沉積速率的增幅逐漸變小；電流效率在10～25 mA/cm2之間隨著電流密度的增加而增大，在25 mA/cm2左右達(dá)到峰值，隨后逐漸下降。這說明電流密度較低時，鋁離子不能完全在陰極放電，離子在溶液中的遷移速度也較慢，使得沉積速率較低，這時鋁的附著性較差，電流效率也較低；隨著電流密度的增大，陰極極化作用增強(qiáng)，在陰極放電的鋁離子能夠得到及時的補(bǔ)充，增加電流密度對提高鋁沉積速率的影響效果明顯，此時鋁的附著性較好，所以電流效率也隨著電流密度的增加而增加；電流密度過大時，陽極發(fā)生鈍化，鋁離子不易從陽極析出，溶液中的鋁離子貧乏而不能及時擴(kuò)散到陰極表面，使得陰極附近鋁離子產(chǎn)生貧化效應(yīng)，此時再增加電流密度對沉積速率的增加影響很小，所以曲線的斜率變小，沉積速率的增幅變小。另一方面，電流密度過大，產(chǎn)生過電位現(xiàn)象，能耗增加，附著性較差，這時鋁表面結(jié)構(gòu)疏松，沉積出的鋁不能完全附著在原來電沉積的鋁的表面，一部分進(jìn)入到離子液體中使得電流效率降低。

圖2 電流密度對鋁的沉積速率和電流效率的影響Fig. 2 Effect of current density on electrodeposition rate and current efficiency

陰極沉積層表面的SEM像如圖3所示，電流密度為15 mA/cm2(見圖3(a))時，顆粒分布不夠均勻，粒徑比較大，表面不平整，這是由于電流密度過低時，陰極極化小，晶粒成核速度小于晶粒長大速率，鍍層結(jié)晶較粗，晶粒分布不均勻。電流密度在20和25 mA/cm2時，表面顆粒分布較均勻，其中圖3(b)所示表面最致密，顆粒細(xì)化，沒有枝晶，顆粒呈球狀生長。電流密度為30 mA/cm2(見圖3(d))時，鋁層顏色變暗，表面有大顆粒，還有絮狀的鍍層，邊界有枝晶狀的鋁生長。這是由于電流密度較大，沉積速率較快，但電解液的分散能力有限，所以鍍層結(jié)晶較粗，沉積出的鋁在表面堆積。黑色絮狀的鍍層是因為電流密度過高，整個電沉積過程的沉積速率被反應(yīng)物向電極表面的擴(kuò)散控制，使得陰極附近金屬離子嚴(yán)重缺乏，導(dǎo)致一些雜質(zhì)在陰極放電而產(chǎn)生黑色的雜質(zhì)夾雜在鋁層中。

2.3 溫度對鋁沉積的影響

在攪拌速率為700 r/min，電流密度為20 mA/cm2，溫度為30～80 ℃條件下，研究電沉積60 min后陰極鋁層的沉積速率和電流效率，并觀察其表面形態(tài)。溫度對鋁的電沉積速率和電流效率的影響如圖4所示。由圖4可知，溫度在30～40 ℃時，沉積速率隨著溫度的上升而呈現(xiàn)明顯增大的趨勢；溫度在40～70 ℃時，沉積速率增大的趨勢變小；溫度在70 ℃以上時，沉積速率出現(xiàn)了下降趨勢。這說明隨著溫度的上升，離子液體的黏度降低，離子的傳質(zhì)推動力增加，離子的擴(kuò)散速度加快，濃度極化降低，陰極鋁沉積速率增大。溫度在70 ℃以上時，沉積速率出現(xiàn)下降趨勢，可能是由于離子液體發(fā)生了部分的分解，降低了有效離子的放電，從而使得沉積速率降低。從圖4可以看出，溫度在30～40 ℃時，電流效率呈上升趨勢；溫度在40 ℃以上時，電流效率開始下降。這是因為溫度較低時，離子液體的黏度較大，鋁與電解質(zhì)的分離效果較差，鋁的機(jī)械損失較大，鋁的沉積效率低；溫度過高時，電導(dǎo)率增加而離子運(yùn)動速率加快，沉積速率快，新生鋁的附著性較差，導(dǎo)致鋁層脫落的損失加劇，從而使得電流效率降低。溫度在80 ℃時，沉積出的鋁幾乎不能附著在陰極上，大部分進(jìn)入電解液中。

圖3 不同電流密度下鋁沉積層的SEM像Fig. 3 SEM images of aluminum electrodeposition layer at different current densities: (a) 15 mA/cm2; (b) 20 mA/cm2; (c) 25 mA/cm2; (d) 30 mA/cm2

圖4 溫度對鋁的沉積速率和電流效率的影響Fig. 4 Effect of temperature on electrodeposition rate and current efficiency

圖5所示為不同溫度下鋁沉積層的SEM像。溫度在30 ℃(見圖5(a))時，鋁層顏色亮白，表面雖平整，但是顆粒較大。溫度在40 ℃(見圖5(b))時，鋁層表面平整且分布均勻，沒有枝晶生成，晶粒呈顆粒狀，粒徑小，鋁層光澤度好。溫度在50 ℃(見圖5(c))時，鋁層顏色開始變深，表面出現(xiàn)了大顆粒的鋁，局部地方不平整。然而，溫度在70 ℃(見圖5(d))時，鋁層顏色變成了暗黑色，部分地方有燒焦現(xiàn)象，表面變得極不平整。這是由于溫度較低時，整個電解環(huán)境很穩(wěn)定，沉積的鋁層顏色亮白，光滑度高，顆粒小，分布均勻；隨著溫度的升高，黏度變低，離子活性增加，離子的沉積速率快，晶粒長大速率大于晶粒成核速度，鋁層變得粗糙，出現(xiàn)了不規(guī)則的堆積現(xiàn)象；溫度過高時，離子液體發(fā)生分解，離子液體中雜質(zhì)增加，一些雜質(zhì)在陰極放電夾雜在沉積層表面使得鋁層顏色加深。

2.4 攪拌速率對鋁沉積的影響

圖5 不同溫度下鋁沉積層的SEM像Fig. 5 SEM images of aluminum electrodeposition layer at different temperatures: (a) 30 ℃; (b) 40 ℃; (c) 50 ℃; (d) 70 ℃

圖6 轉(zhuǎn)速對鋁的沉積速率和電流效率的影響Fig. 6 Effect of stirring speed on electrodeposition rate and current efficiency

在電流密度為20 mA/cm2，溫度為40 ℃，攪拌速率為0～1 000 r/min條件下，研究電沉積60 min后陰極鋁層的沉積速率和電流效率。攪拌速率對鋁的沉積速率和電流效率的影響如圖6所示。由圖6可知，鋁的沉積速率和電流效率隨著攪拌速率的增加呈上升的趨勢。在不攪拌的條件下，沉積速率為3.8 μm/min；攪拌速率為300r/min時，沉積速率為4.35 μm/min；攪拌速率為700 r/min時，沉積速率達(dá)到4.75 μm/min。這是由于攪拌能夠加速溶液的對流，使擴(kuò)散層變薄，陰極附近被消耗了的金屬離子能夠得以及時補(bǔ)充，降低了濃度極化，從而使得電沉積速率增加。這時鋁能在陰極形成膜，附著性很好，電流效率也較高。從圖6可以看到，攪拌速率為700 r/min時，電流效率可達(dá)90%；攪拌速率大于700 r/min時，電流效率逐漸減小。這是由于攪拌速率過快，離子液體湍動太劇烈而與沉積鋁之間的摩擦程度增加，沉積出的鋁很難到達(dá)電極表面，鋁沉積層與電極片之間的結(jié)合力減弱，鋁沉積層表面開始出現(xiàn)局部鼓泡現(xiàn)象，導(dǎo)致鋁流失到離子液體中的數(shù)量增大，電流效率降低；另一方面，攪拌速率過大也增加了離子遷移的無序性，降低了陰極表面離子放電的幾率，電流空耗增加，所以電流效率降低。

不同攪拌速率下鋁沉積層的SEM像如圖7所示。不攪拌電解時(見圖7(a))，沉積層的連續(xù)性、附著性較差，表面顆粒較大。這是因為在不攪拌的電解液環(huán)境中，液體湍動小，離子在離子液體中對流較弱，陽極析出的離子不能有效到達(dá)陰極放電，使得陰極附近放電離子貧乏，陰極極化作用低，沉積速率較慢，所以顆粒比較大，不連續(xù)。攪拌速率為300 r/min(見圖7(b))時，鋁層附著性提高，但表面仍不平整。攪拌速率為700 r/min(見圖7(c))時，陰極能夠得到連續(xù)致密、附著性好、表面顆粒小且分布均勻的鋁層。攪拌速率為1 000 r/min(見圖7(d))時，鋁層的連續(xù)性和附著性均變差，沉積出的鋁呈樹棒狀生長、變粗。這是由于攪拌速率過大，離子對流快，沉積速率快，使得沉積的鋁在電極表面呈無序狀地堆積，沉積層疏松不致密，晶粒呈樹枝狀生長。

圖7 不同攪拌速率下鋁沉積層的SEM像Fig. 7 SEM images of aluminum electrodeposition layer at different stirring speeds: (a) 0 r/min; (b) 300 r/min; (c) 700 r/min;(d) 1 000 r/min

2.5 沉積時間對鋁沉積的影響

在電流密度為20 mA/cm2，攪拌速率為700 r/min，溫度為40 ℃條件下，研究電沉積30～120 min后陰極鋁的沉積速率和電流效率。沉積時間對鋁的沉積速率和電流效率的影響如圖8所示。由圖8可知，沉積時間為30 min時，鋁沉積速率和電流效率較低。這是因為在沉積初始階段，沉積不穩(wěn)定，短時間內(nèi)還未打破陽極鈍化的平衡。沉積時間為30～60 min時，隨著時間的延長，沉積逐漸穩(wěn)定，鋁粒子在陰極的成核變得有序，鋁層變得致密，附著性好，所以沉積速率和電流效率均增加。沉積時間為60 min時，沉積速率和電流效率最高；當(dāng)沉積時間大于60 min時，沉積速率和電流效率開始降低。這是由于沉積時間過長，離子液體濃度極化增大，陰極附近鋁離子缺失而不能及時得到補(bǔ)充，沉積速率減慢。同時，沉積時間過長時，表面電沉積出的鋁發(fā)生了化學(xué)鈍化，新生鋁不能附著，使得電流效率降低。此外，沉積時間過長時，電流在電解槽和導(dǎo)線各部件上的損失也在不斷地增加，使得電流效率降低，不利于電解的進(jìn)行。

圖8 沉積時間對鋁的沉積速率和電流效率的影響Fig. 8 Effect of electrodeposition time on electrodeposition rate and current efficiency

圖9所示為不同電流密度下槽電壓與時間的關(guān)系。從圖9可以看出，在同一電流密度下，電沉積一開始電壓較低，在很短的時間內(nèi)，電壓迅速上升到一定值后逐漸下降，隨后電壓穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)，波動很小。電流密度為20 mA/cm2時，電壓在3 min內(nèi)上升到3.59 V, 然后持續(xù)下降，10 min后穩(wěn)定在2.96～3.04 V范圍內(nèi)。這說明電沉積開始階段，電沉積環(huán)境不穩(wěn)定，鋁在陰極沉積需要在比實際析出電壓高的一個過電位下才能進(jìn)行，所以槽電壓在很短的時間內(nèi)會達(dá)到一個極大值，隨著沉積環(huán)境穩(wěn)定和鋁的逐漸析出，槽電壓逐漸趨于穩(wěn)定。由圖9可知，槽電壓隨著電流密度的增加而逐漸變大。電流密度較小時，電壓的變化范圍較小，在很短的時間內(nèi)穩(wěn)定在某一個值；電流密度較大時，電壓在較長一段時間內(nèi)變化范圍較大，電流密度在30 mA/cm2時，沉積30 min后電壓才能趨于穩(wěn)定。

圖9 不同電流密度下槽電壓與時間關(guān)系Fig. 9 Relationship between cell voltage and time at different current densities

不同電沉積時間鋁沉積層的SEM像如圖10所示。從圖10可以觀察到，沉積30 min(見圖10(a))時，鋁沉積層的連續(xù)性和鋪展性均較差，這是因為沉積時間較短，沉積到電極上鋁的量很少，鋁層薄，不能連續(xù)鋪滿基片。沉積60 min(見圖10(b))時，鋁沉積層表面形貌最佳，鋁層連續(xù)致密且分布均勻，呈顆粒狀，粒徑小。沉積90 min(見圖10(c))時，鋁沉積層表面變得不致密，顆粒變大，均勻性降低。沉積120 min(見圖10(d))時，鋁沉積層表面極不平整，顆粒較大，呈堆積狀，鋁層的顏色變深，局部有灼燒的現(xiàn)象。這是由于電沉積時間過長，離子液體的濃度極化增大，陰極極化降低，鋁晶粒的成核速度小于長大速率，沉積出的鋁在基片表面得不到較好的鋪展，形成堆積狀態(tài)，表面較粗糙，不利于新沉積鋁的附著；同時，電沉積時間過長，離子液體中的雜質(zhì)也增多，使得鋁層的顏色發(fā)生了改變。

2.6 陰極沉積層純度分析

為了研究陰極沉積層鋁的含量，對在溫度為40 ℃,電流密度為20 mA/cm2，攪拌速率為700 r/min條件下，電沉積60 min 的陰極鋁層(見圖11(a))進(jìn)行了EDS分析，結(jié)果如圖11(b)所示。由圖11(b)可見，鋁沉積層中僅存在一個鋁的強(qiáng)峰和一個氧的弱峰，其含量見表1，鋁層中氧所占的比例很小，這少量的氧是由于在電解完沖洗風(fēng)干的過程中，鋁層表面的少量鋁在空氣中被氧氣氧化而攜帶的，這是實驗所無法避免的。

圖10 不同電沉積時間鋁沉積層的SEM像Fig. 10 SEM images of aluminum electrodeposition layer at different electrodeposition times: (a) 30 min; (b) 60 min; (c) 90 min; (d) 120 min

圖11 鋁沉積層的SEM像和EDS譜Fig. 11 SEM image (a) and EDS pattern (b) of aluminum electrodeposition layer

表1 鋁沉積層中各元素含量Table 1 Contents of elements in aluminum electrodeposition layer

3 結(jié)論

1) 不同AlCl3/[EMIM]Br摩爾比的離子液體的電導(dǎo)率隨著溫度升高呈上升趨勢；隨著摩爾比的增加，離子液體的電導(dǎo)率反而降低。

2) AlCl3/[EMIM]Br摩爾比為2:1的離子液體中，鋁的沉積存在一個最優(yōu)條件，只有在一個合理的范圍內(nèi)才能同時得到較高的沉積速率和電流效率。

3) 陰極鋁的表面形態(tài)在各種條件下變得不一致，在沉積速率和電流效率都較高的條件下能得到表面平整、致密、連續(xù)、附著性好、呈顆粒狀且有金屬光澤的鋁層。

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(編輯 何學(xué)鋒)

Constant current electrodeposition of aluminum from [EMIM]Br-AlCl3ionic liquid

ZHAO Hai, XU Lian-bin, CHEN Jian-feng, ZHANG Peng-yuan
(Research Center of High Gravity Engineering and Technology, Ministry of Education, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

In order to investigate the factors of aluminum electrodeposition rate, current efficiency and cathode surface morphology, the [EMIM]Br-AlCl3ionic liquid was prepared and the conductivity was measured. Aluminum electrodeposits were conducted on stainless steel from the ionic liquid with AlCl3/[EMIM]Br molar ratio of 2:1 at constant current under magnetic stirring. The quality and purity of the electrodeposition layer were analyzed by SEM and EDS. The results show that the conductivity increases with the temperature increasing, which accords with Arrhenius behavior. Current density, temperature, stirring speed and electrodeposition time are the important factors in aluminum electrodeposition. The aluminum electrodeposits obtained on electrodes is continuous, dense, well adherent and fine particle size under the conditions of current density of 20 mA/cm2, electrodeposition time of 60 min, temperature of 40 ℃and stirring speed of 700 r/min. The current efficiency is above 80% and the purity of the deposits achieves 96%, where the fraction oxygen is from oxide of aluminum.

magnetic stirring; ionic liquid; constant current; electrodeposition rate; current efficiency

O646.5

A

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃資助項目(2009CB219903)；國家科技支撐計劃資助項目(2008BAE64B03)

2011-08-05；

2012-04-05

張鵬遠(yuǎn)，教授，電話：010-64443134；E-mail：zhangpy@mail.buct.edu.cn

1004-0609(2012)09-2682-10