[发明专利]一种离子液体/添加剂体系低温电沉积制备纳米铝或纳米铝镀层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种采用离子液体/添加剂体系电沉积制备纳米铝或纳米铝镀层的方法。属于有色冶金领域。

背景技术

铝元素在地壳中的含量仅次于氧和硅，居第三位，是地壳中含量最丰富的金属元素。铝是仅次于钢铁的第二大金属材料，占有色金属总产量的一半，具有优异的物理化学性能，用途极其广泛，与国民经济的关联度高达91％，是国民经济发展和国防建设必不可少的重要基础原材料。

在日常生活中，各种铝制品已经被人们大量使用。纳米铝作为一种新型材料，主要应用领域有三个方面，包括火箭推进剂、炸药添加剂和太阳能电池板的铝背场。这三个方面对于国家的局势和经济发展具有非常重要的意义。然而，普通铝粉和微米级铝粉由于长的点火延迟和慢的燃烧动力限制了使用。在推进剂燃烧表面上凝结成大的“集块”，延长了燃烧时间。同时，有可能产生燃烧不完全、增加红外信号、喷管的两相流损失和形成羽烟状的气体排出等缺陷。与普通铝粉相比，纳米铝粉具有燃烧更快、放热量更大的特点，与同样含量普通铝粉相比较，燃烧速率可以提高70％。纳米铝的大规模制备和应用研究关系到我国国防建设的发展和高科技产品的开发。制备纳米铝的方法主要有蒸发冷凝法、线爆炸法、机械化学法、脉冲激光剥蚀法、电弧放电法和溶液化学法等。虽然纳米铝在应用方面具有很重要的价值，可是目前的制备方法成本昂贵、产量小，制约着纳米铝在应用方面的发展。因此，发展新型的低成本、产量大的纳米铝制备方法具有极其重要的意义。

离子液体是一种完全由有机阳离子和无机或有机阴离子所组成的一类新型化合物，具有熔点低(通常接近甚至低于室温)、不易挥发、电化学窗口宽、导电性好、液态范围宽等优异特性。基于离子液体优异的物化性能，尤其是电化学性能，已经在多种离子液体中实现了铝的电沉积。但在常见的离子液体中很难得到纳米级的铝颗粒，通常沉积层所得颗粒粒径均为微米级，且沉积层疏松、粗糙。此外，虽然在一些特殊的离子液体体系(例如：[BMP]NTf₂)中可以得到纳米级沉积层，但是这类离子液体通常价格昂贵、制备困难，极大的限制了其应用推广。添加剂可以在结晶生长点上选择性吸附，抑制结晶的生长，促进晶核的形成。因此，在常规离子液体体系中添加适宜的添加剂可以改变沉积层的性质，使沉积层致密、光滑、平整，并最终得到纳米铝。离子液体/添加剂体系可以在较低的温度下得到纳米材料，反应易控制、能耗小，且无副反应，得到的纳米铝质量好、电流效率高，通过调节添加剂的用量及配方能够更好地控制纳米铝的尺寸，降低成本，应用前景广阔。

发明内容

本发明的目的在于克服现有纳米铝制备方法成本昂贵、产量小等问题，提供一种离子液体/添加剂体系低温电沉积制备纳米铝的方法，此方法反应温度低、能耗小，得到的纳米铝质量好、电流效率高，能够更好地控制纳米铝的尺寸，降低成本。

本发明采用离子液体/添加剂体系低温电沉积制备纳米铝的方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

(1)离子液体放置在装有五氧化二磷的真空干燥箱中，恒温真空干燥24～48h；

(2)在手套箱内，惰性气体氮气或氩气保护下，在磁力搅拌器的搅拌下缓慢向离子液体中加入三氯化铝，按照一定配比混合形成低温离子液体电解液，在恒温条件下搅拌均匀；

(3)根据需要选择加入质量分数为0.01％～50％的添加剂，搅拌均匀；

(4)阴极基体材料的表面性质直接影响镀层与基底的结合程度以及镀层的致密性。故在实验前需要对基体进行镀前预处理，方法如下：砂纸打磨→清洗→化学除油→水洗→酸洗→水洗→丙酮浸泡→干燥→稀释后的浓盐酸和浓硫酸的混酸中活化处理→去离子水清洗→干燥；

(5)阳极采用铝、石墨、陶瓷、玻璃碳等，阳极与阴极之间的距离为0.5～15cm；

(6)在电解槽中加入适量的电解液，在氮气或氩气保护条件下，恒定电解温度为20℃～300℃，选择适当的电压及搅拌速度，在电流密度为10～150A/m²的条件下进行直流电沉积制备纳米铝沉积层。

(7)在电沉积过程中伴有超声的操作条件下，可在电解槽内得到纳米铝粉。在手套箱内用乙腈、丙酮等有机溶剂对纳米铝粉进行清洗，干燥后放入油浴中保存。