疏水性离子液体电沉积镍铁合金微观结构调控及机理研究

Ni-Fe binary alloy is widely applied in many industries due to its beneficial magnetic property and dimensional stability. Microstructure is a key factor in determining the quality of Ni-Fe alloy. One of the most obstacles for electrodeposition of alloy is to control the alloy microstructure to meet the performance requirements in the practical application. In the present project, hydrophobic ionic liquids will be used as the electrolytes to prepare Ni-Fe alloy. The major research contents include: the most stable structure of the metallic complexes; the electric structure on the cathode surface by studying the adsorption behavior of cations, additives and metallic complexes on the cathode surface; the effects of ionic liquid composition, current density, applied voltage and other parameters on the microstructure of Ni-Fe alloy. This project will conduct around the key scientific problem of ionic liquid/cathode interface structure, and propose the interrelation between the electrodeposition conditions and alloy microstructure on the basis of the studies of electrodeposition process of nickel and iron, respectively. This research is of scientific importance for industrial application and alloy development.

镍铁合金具有优良的磁学、电学和力学性能，工业应用前景十分广阔。微观结构是决定镍铁合金性能的关键因素。电沉积制备镍铁合金的一个重要难题是微观结构的调控，以满足实际工业应用的性能要求。本项目拟采用疏水性离子液体为电解质，开展镍铁合金微观结构可控制备的研究。主要研究金属配合物的最稳定构型；离子液体阳离子、添加剂和金属配合物在阴极表面吸附行为，沉积电压对各组分吸附行为的影响规律，探明阴极表面微观结构；电解液组成、电流密度、沉积电压等参数对镍铁合金晶相结构、合金组成、晶粒大小、形貌等微观结构的影响规律，建立电沉积条件与镍铁合金微观结构对应关系与调控机制。该项目以离子液体电解质/阴极界面微观结构的基础研究为核心，从研究单组分镍和铁电化学还原过程出发，深入探讨合金电沉积的行程机理，掌握电沉积条件与微观结构间的关联性及其演变规律，为获得高性能合金材料及其在实际高新技术领域中的应用提供科学依据和技术支撑。

镍铁合金具有优良的磁学、电学和力学性能，工业应用前景十分广阔。生产合金的工艺方法有物理气相沉积、化学气相沉积、机械轧制和电沉积法。与前三种方法相比，电沉积法具有流程短、操作温度较低、能耗小、合金质量及微观结构容易控制等优点而逐渐赢得了人们的青睐。传统水溶液电沉积合金中，普遍存在的问题是阴极析氢副反应，致使电流效率低、沉积合金的结构疏松、性能较差。有机电解液由于存在热稳定性差、毒性较强等缺点，在使用过程中往往易挥发，对环境造成污染。本项目采用疏水性离子液体为电解液，以金属镍、铁为研究对象，开展合金微观结构可控制备的研究。（1）采用B3LYP/6-311+G*-LANL2DZ计算方法，结合光谱分析，确定TFSA--基离子液体中Ni（II）、Fe（II）最稳定构型为三配位的八面体[M(TFSA)3]-（M=Ni，Fe）；探明了阳离子的改变不影响离子液体中金属最稳定构型，而有机添加剂小分子乙腈的加入，因其供体数较TFSA-大，使得金属配合物发生了变化，配位体从TFSA-变成有机小分子，金属配合物从带负电转变为带正电，但配合物构型仍然为八面体。（2）因为阳离子与阴极表面相互作用力的不同，有机小分子在阴极表面较强的吸附能，使得金属沉积物的晶粒尺寸发生了变化。因此，可以通过离子液体阳离子和添加剂种类的选择来调控金属/合金沉积物的微观结构。（3）乙腈的加入将金属配合物从负离子变成正离子，且乙腈在阴极表面较强的吸附能使得阴极表面的微观结构发生了改变，从离子液体正离子/负离子/金属配合物变成有机小分子/阳离子+金属配合物/负离子的多层微观结构。（4）探索沉积条件对电沉积镍铁合金的影响规律：随着沉积电压的加大，电沉积产物颗粒尺寸会减小，与基体的结合力会变差；随着电解液中镍离子含量的增加，电沉积产物中镍含量会增加，并大于产物中铁含量。与水体系中所得到的NiFe合金进行比较，采用TFSA-基离子液体电沉积制备NiFe合金消除了镍沉积的阻碍，能够制得镍含量高于铁的NiFe合金。本项目所获得的实验数据和沉积规律将为获得高性能合金材料及其在实际高新技术领域中的应用提供理论支持。