Один

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 16537 (2022) Цитировать эту статью

591 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Это краткий отчет об изготовлении концентрических многоэлементных металлических ковров с помощью однореакторной ротационной биполярной электротехнической процедуры. Подвешенный кусок пеноникеля в качестве биполярного электрода (БПЭ) вращается в водном растворе, содержащем тройную смесь ионов металлов, когда к приводным электродам прикладывается достаточный потенциал постоянного тока. Настраиваемыми инструментами этого искусства являются потенциальный градиент, вращение и концентрационная/кинетическая поляризация. Создание многоэлементного радиального градиента обычно проверяется при гальванике художественных ювелирных изделий в одной ванне.

Электроосаждение в одной ванне (гальваника) — это простой подход к осаждению растворенных электроактивных ионных частиц, в частности ионов металлов, на проводящие подложки для изготовления различных типов покрытий из двух-/трехмерных материалов1,2,3. Одним из ограничений гальванотехники является невозможность создания градиентов материалов (изолированных зон материала) перпендикулярно приложенному полю, что возникает из-за однородности приложенного потенциала поперек рабочего электрода в традиционной электрохимии.

Биполярная электрохимия (BE) создает градиент потенциала на биполярных электродах (BPE), погруженных в электролиты без прямого электрического соединения. Приложенная межфазная разность потенциалов запускает окислительно-восстановительные реакции на концах (полюсах) BPE. Усовершенствованные формы этой способности в электролите, содержащем электроактивные ионы металлов с неподвижным плавающим проводником, будут полезны в беспроводной гальванике4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14. При подаче достаточного постоянного потенциала на ведущие электроды из-за создания падения потенциала на ведущих электродах генерируется линейно уменьшающаяся разность потенциалов между концами подвешенного объекта, которая вызывает противоположные окислительно-восстановительные реакции по обе стороны BPE15,16. 17,18.

Основным недостатком исследований биполярной гальваники19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31 является невозможность периодического изменения положения биполярного катода/анода, таким образом, электроосаждения. происходит только на одном полюсе BPE. С этой целью можно добиться изменения пространственно-временной полярности полюсов анода/катода32,33,34 с помощью источника переменного тока для подачи переменного потенциала на управляющие электроды. За последнее десятилетие в некоторых исследовательских работах изучалось управляющее движение беспроводных проводящих объектов, обеспечивающее различные типы самодвижения35,36,37,38,39. Более исчерпывающий и настраиваемый подход, который позволяет применить потенциал межфазного градиента ко всем 360 ° запаса BPE, заключается в вращении BPE с использованием контроллера двигателя и источника питания постоянного тока. Это позволяет применять равномерный, последовательный и последовательный градиент потенциала по всему BPE. Гальванический композит, полученный этим методом, представляет собой концентрический многоэлементный состав изолированных металлических сплавов40.

В этой работе регулировка биполярного градиентного потенциала в зависимости от приложенного постоянного потенциала, скорости вращения BPE, собственной кинетической поляризации ионов металлов (стандартные потенциалы восстановления) и концентрационной поляризации (концентрации прекурсоров) генерирует комбинационный градиентный потенциал, воспринимаемый с помощью повернутого BPE, образуя концентрический изолированный сплав от центра до границ BPE. Мы применили эту методологию в художественной однореакторной электротехнике двух типичных тройных смесей Cu-Ni-Mn и Cu-Co-Mn с пеноникелем (NF) в качестве биполярного электрода.

Двумерные изолированные концентрические металлические зоны Cu-Ni-Mn, напоминающие ковер, обычно получают посредством вращательной биполярной гальваники постоянного тока. Постоянный потенциал постоянного тока (от 4 до 12 В) прикладывался между парой приводных электродов из нержавеющей стали на расстоянии ок. 2,5 см, как длина биполярной ячейки. Один кусок NF (10 × 12 мм) в качестве типичного BPE был соединен с валом контроллера двигателя, погруженным в середину ячейки BP, содержащей определенный раствор ионов металлов, и вращался с постоянной скоростью 100°. об/мин (подробнее об экспериментальном разделе — в СИ). На рисунке С1 показано место крепления БПЭ к наконечнику ротатора, оставшемуся неизменным (на рис. С1 обозначена верхняя сторона). Поскольку концентрические градиенты, образующиеся с обеих сторон БПЭ, симметричны, эту проблему можно решить путем замены места крепления с одной стороны БПЭ на другую в перерыве между гальванопокрытием. Учитывая существование градиента потенциала от края к центру BPE, выбор переменных концентраций электроактивных ионов металлов с различными стандартными потенциалами восстановления позволяет контролировать кинетическую и концентрационную поляризацию для управления изготовленным концентрическим градиентом затухания поперек BPE. Более того, полярность меняется при вращении, что позволяет электротехнику металлического ковра в одном горшке. Прежде всего, мы стремились изучить фактическую роль анодных и катодных полюсов БПЭ в гальванике и электрорастворении металлических слоев. С этой целью была проведена простая статическая биполярная гальванизация, чтобы определить роль анода и катода БПЭ в формировании металлических ковров. Линейный металлический градиент только что сформировался на катодной стороне, как показано на рис. S2. Возможное анодное растворение осажденных слоев в катодных слоях также изучалось посредством статического электроосаждения (при 8 В) ионов металлов отдельно на три различных пенопласта никеля (рис. S3). После катодного гальванопокрытия положение биполярных полюсов менялось путем поворота BPE на 180 °, чтобы учесть возможное растворение гальванических слоев. Для слоя Cu после вращения первичный осажденный слой на краю BPE растворился при анодном потенциале (см. Рис. S3). В случае Ni растворение было ниже, а для Mn осажденный катодный слой не изменился, что подтверждает тенденцию постепенного уменьшения Cu > Ni > > Mn. Эта относительная тенденция является определяющей при ротационном гальванопокрытии Cu, Ni и Mn.