鋁箔交流腐蝕過程中添加劑的篩選研究

呂根品 ,閆小宇 ,黃宏亮 ,方銘清 ,肖遠龍,

(1.韶關東陽光科技研發有限公司,廣東 韶關 512721;2.東莞東陽光科研發有限公司,廣東 東莞 523871;3.天津工業大學 分離膜與膜過程國家重點實驗室,天津 300387)

鋁箔在鹽酸溶液中交流腐蝕時,會產生大量海綿狀孔洞。腐蝕箔的孔洞結構主要受電解液組成[1-2]、溫度[3]、電流波形[4-5]、頻率[6-7]等因素影響。普遍認為,蝕坑能否以“Pit-on-Pit”方式往深處增殖發展,取決于覆蓋在蝕坑表面的鈍化膜[8]。這層鈍化膜是由納米級厚的陽極皮膜和腐蝕皮膜組成,陽極皮膜是在正半周初期的陽極氧化過程中形成,而腐蝕皮膜是在陰極半周析氫后,表面附近pH 值升高,發生氫氧化鋁沉淀反應形成的[9-10]。大量研究工作表明,電解液中添加劑對鈍化膜的形成有重要作用。Ono 等[8]研究了H2SO4對AC 腐蝕過程中蝕孔增殖的影響,他們發現存在一個最適H2SO4濃度,以得到均一的腐蝕層和高比表面積。菅沼栄一等[11]考察了HCl/H2SO4混合體系中H2SO4的作用,發現添加質量分數0.25%的H2SO4可以有效抑制蝕孔的全面溶解和促進表面鈍化膜的形成,從而獲得更深的腐蝕層和最高的比容。Lin等[12]研究了HCl/H2SO4體系中交流腐蝕時鋁箔的點蝕行為,發現吸附在鋁箔表面的SO42-離子增加了鈍化膜的擊穿電位,并導致原先孔洞的鈍化。目前大部分工作都側重于實驗研究來考察添加劑的影響,添加劑的作用機制也尚不明確。因此,深入理解添加劑的作用機制很有必要。而且電解液中添加劑種類繁多,導致添加劑的大規模篩選工作量很大,也存在難度。量子化學計算在機理探究和結構篩選方面有巨大的優勢[13-15]。例如中南大學的張新明課題組[13-14]利用密度泛函理論考察了光箔表面微量元素的偏析行為和鋁箔的溶解行為,為光箔性能的調控提供了理論指導?；诖?本文首次采用密度泛函理論研究了鹽酸溶液中14 種陰離子添加劑的影響,同時通過靜電容量和腐蝕皮膜厚度測試進行驗證,旨在為鋁箔交流腐蝕添加劑篩選提供一般性指導建議。

1 計算與實驗部分

1.1 密度泛函理論計算

式中:E(AlmXn)、E(Al3+)和E(Xm-)分別為鋁鹽、Al3+和陰離子Xm-能量;m和n分別為對應的離子價態數。

AlmXn與三個OH-的結合能Eb2根據公式(2)計算:

式中:E(AlmXn-3OH-)、E(AlmXn)和E(OH-)分別鋁鹽絡合物、鋁鹽和陰離子OH-能量。

1.2 交流電腐蝕

光箔料取自東陽光自產的軟態光箔,厚度為120 μm。在交流腐蝕之前,光箔在60 ℃的氫氧化鈉溶液中處理55 s,以除去表面油膜和氧化膜。隨后在含不同濃度H2SO4、HNO3或H3PO4的HCl 電解液中對光箔料施加交流電進行腐蝕,采用方波電流波形,頻率10 Hz,峰值電流密度0.4 A·cm-2,加電時間120 s。隨后對制備的腐蝕箔按照采用EIAJ 標準程序進行21 V化成,并測試比容。

1.3 腐蝕皮膜厚度測試

配制0.4 mol·L-1CrO3和1.2 mol·L-1H3PO4的混合水溶液200 mL,加熱到80 ℃;將制備的腐蝕箔樣品(1 cm2)放到80 ℃的CrO3-H3PO4水溶液中,溶解180 s,然后烘干,采用百萬分之一的分析天平(XPE 26)進行稱量,記錄溶解前后的質量。腐蝕皮膜厚度以21 V 比容值作為參考進行計算,分別對光箔和腐蝕箔進行21 V 化成,擴面倍率α為腐蝕箔21 V 比容除以光箔21 V 比容。腐蝕皮膜的密度ρ取3 g·cm-3,并假設腐蝕皮膜均勻地覆蓋在蝕坑表面,按公式(3)計算腐蝕皮膜厚度[11]。

式中:d為腐蝕皮膜厚度(nm);m1和m2分別為樣品溶解前后的質量(mg)。

1.4 計時電位曲線測試

光箔料在含不同濃度H2SO4、HNO3或H3PO4的HCl 電解液中的計時電位曲線采用Autolab 電化學工作站(PGSTAT 302N)進行測試。施加的電流波形為方波,頻率為10 Hz,峰值電流密度為0.4 A·cm-2。

2 結果與討論

2.1 添加劑結合能Eb1對比

低壓腐蝕箔通常采用變頻交流電腐蝕工藝制備。在正半周期時,蝕孔表面的鈍化膜被侵蝕性Cl-擊穿,發生鋁的陽極溶解。菅沼栄一認為,正半周期的起蝕點優先在蝕孔的拐角處產生,這主要是因為拐角處電流容易集中,而且Cl-濃度也較高[16]。當有添加劑存在時,其他陰離子(SO42-和NO3-等)也會遷移到拐角處以維持蝕孔內電中性,因此Cl-與其他陰離子存在競爭作用。馮哲圣認為,從緩蝕效率的角度來看,SO42-并不是一種有效的鋁緩蝕劑,SO42-的緩蝕效率比NO3-更弱,但在鋁箔的交流腐蝕過程中SO42-能最有效地促進海綿層的生成,具有獨特的緩蝕作用,而單純的競爭吸附難以解釋這種現象[17]。為了理解這種作用差異,筆者采用密度泛函理論計算篩選了Cl-和14 種陰離子與Al3+間的結合能Eb1,并與鋁鹽中Al 的Mulliken 電荷進行關聯,如圖1 所示。需要指出的是,Mulliken 電荷是一種評估原子局部電荷的簡單方法,用于表征電子云的分布,與常規價態不同。從圖1 可以看出,結合能Eb1與Mulliken 電荷呈現明顯的負相關性,即Mulliken 電荷越大,結合能Eb1越負,鋁鹽結構越穩定。根據優化后的鋁鹽結構,這14 種陰離子主要可以劃分為三類:(1)陰離子中三個原子與一個Al3+絡合,包括PO43-、Br-、I-、CN-、F-和OH-;(2)陰離子中六個原子與一個 Al3+絡合,包括 NO3-、CH3COO-、C6H5COO-、HCO2-、C6O7H11-;(3)三個陰離子與兩個Al3+絡合,包括SO42-、C2O42-和CO32-。筆者以代表性的AlPO4、Al(NO3)3和Al2(SO4)3的結構進行闡述,如圖2 所示。在AlPO4結構中,PO43-中三個O 原子與Al3+絡合,Al—O 鍵長約為0.19 nm。在Al(NO3)3結構中,三個NO3-相互交叉形成立體結構,Al3+處于幾何中心位置,Al—O 平均鍵長約為0.19 nm。而在Al2(SO4)3結構中,SO42-中的O 原子分別與Al3+絡合,其中一個Al3+在幾何中心,另一個處于邊緣位置,Al—O 平均鍵長約為0.18 nm。另外,計算的結合能結果表明,第三類陰離子(SO42-、C2O42-等)與Al3+有非常強的結合能力,因而與Cl-存在非常強的競爭作用。

圖1 結合能Eb1與Al 的Mulliken 電荷關系Fig.1 Relationship of binding energy Eb1 with the Mulliken charge of Al in aluminum salts

圖2 代表性鋁鹽優化后的結構。(a) AlPO4;(b) Al(NO3)3;(c) Al2(SO4)3Fig.2 Structure of typical aluminum salts after geometry optimization.(a) AlPO4;(b) Al(NO3)3;(c) Al2(SO4)3

當腐蝕過程由正半周期轉換到負半周期時,電極表面發生析氫反應,使蝕坑內pH 值升高,OH-與鋁鹽反應形成Al(OH)3沉淀。通過計算OH-與鋁鹽間的結合能Eb2,可以評估沉淀反應的難易程度。筆者選擇了代表性的PO43-、Br-、SO42-、C2O42-和NO3-進行研究,其中以Cl-作為參考,并與鋁鹽結合能Eb1對比,結果如圖3 所示。從圖3 可以看出,盡管PO43-和Br-的Eb1較正(即不易與Al3+結合),但卻易于與OH-結合,尤其是PO43-,主要是因為這類化合物空間位阻較小,利于沉淀反應發生。而NO3-與Cl-之間的Eb2和Eb1相差不大,導致NO3-的競爭作用和沉淀反應趨勢都較弱,這主要是因為Al3+處于鋁鹽的幾何中心位置,降低了與OH-接觸的幾率。明顯不同的是,SO42-和C2O42-具有很負的Eb2和Eb1,說明這兩種陰離子容易與Cl-競爭,而且傾向于與OH-形成沉淀,最有利于腐蝕皮膜的形成。

圖3 鋁鹽與OH-間結合能Eb2和結合能Eb1關系Fig.3 Relationship of binding energy Eb2 between aluminum salts and OH- with binding energy Eb1

2.2 添加劑對腐蝕皮膜的影響

基于上述密度泛函理論計算可以看出,負半周期時形成Al(OH)3腐蝕皮膜的趨勢是SO42->PO43->NO3-。為了驗證這一規律,筆者將含有不同濃度H2SO4、HNO3和H3PO4的HCl 電解液中制備的腐蝕箔浸漬在0.4 mol·L-1CrO3+1.2 mol·L-1H3PO4的溶液中進行處理,計算的腐蝕皮膜厚度如圖4 所示。從圖4 可以看出,腐蝕皮膜厚度隨著H2SO4濃度增加呈現急劇增加的變化趨勢,即使在低H2SO4濃度(0.0023 mol·L-1)下,腐蝕皮膜厚度也增加約9%,這主要來源于Al2(SO4)3與OH-強勁的結合能力,說明H2SO4獨特的作用。對于H3PO4而言,腐蝕皮膜厚度隨著H3PO4濃度增加,呈現先降低然后再增加的趨勢。在低H3PO4濃度時,PO43-與Cl-競爭作用較弱,難以形成AlPO4化合物,在陰極半周期時對腐蝕皮膜幾乎沒有影響,而添加H3PO4后,電解液酸性增加,容易促進腐蝕皮膜的溶解,導致腐蝕皮膜厚度降低。在高H3PO4濃度時,PO43-與Cl-競爭逐漸明顯,形成的AlPO4化合物非常容易與OH-結合形成腐蝕皮膜,導致腐蝕皮膜厚度顯著增加。在添加HNO3條件下,腐蝕皮膜厚度隨著HNO3濃度增加,先快速減少然后穩定在14 nm 左右。如前所述,NO3-與Cl-之間的Eb2和Eb1相差不大,NO3-對腐蝕皮膜形成幾乎沒有影響,而高濃度的HNO3使電解液酸性顯著增加,最終導致腐蝕皮膜厚度減少。研究結果表明,密度泛函理論計算可以快速評估鋁箔交流腐蝕過程中添加劑對腐蝕皮膜形成的影響。

圖4 添加劑濃度對腐蝕皮膜厚度的影響Fig.4 Effect of additive concentration on the etching film thickness

2.3 添加劑對陽極箔性能的影響

大量研究工作表明,電解液中添加劑對陽極箔性能有顯著作用[8,11-12]。筆者進一步驗證了不同濃度的H2SO4、HNO3和H3PO4對腐蝕箔21 V 比容的影響,如圖5 所示。從圖5 可以看出,HCl 電解液中分別添加三種酸后,腐蝕箔比容都存在最大值,但是最大值對應的濃度有很大差異:H2SO4(0.0023 mol·L-1)

圖5 不同添加劑濃度下腐蝕箔21 V 比容Fig.5 Effect of additive concentration on the specific capacitance at the formed voltage of 21 V

圖6 不同添加劑濃度下交流腐蝕過程中計時電位曲線。(a) H2SO4;(b) H3PO4;(c) HNO3Fig.6 Chronopotential curves of AC etching with different additive concentration.(a) H2SO4;(b) H3PO4;(c) HNO3

3 結論

本文采用密度泛函理論計算篩選了15 種陰離子與Al3+的結合能Eb1及鋁鹽與OH-間結合能Eb2,同時通過腐蝕皮膜和靜電容量測試進行驗證。結果表明,SO42-和C2O42-具有很負的Eb2和Eb1,容易與Al3+結合,形成腐蝕皮膜,導致在低濃度添加時腐蝕箔比容有很大提升(94%)。PO43-類添加劑具有較正的Eb1和很負的Eb2,在低濃度時影響較小,而在高濃度時容易與OH-結合形成腐蝕皮膜,進而提升比容(107%)。受空間位阻效應影響,NO3-類添加劑的競爭作用和沉淀反應趨勢都較弱,導致添加劑濃度增加,腐蝕皮膜厚度出現下降。然而,高濃度HNO3具有強氧化性,有效促進了陽極皮膜的形成,比容明顯增加(125%)。因此,在實際生產中,可以考慮多種添加劑的復配來獲得高性能陽極箔。