Характеристика электрохимического осаждения меди и оксида меди(I) на подложки из нержавеющей стали, покрытые углеродными нанотрубками

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 6786 (2023) Цитировать эту статью

561 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Нанокомпозитные покрытия, состоящие из углеродных нанотрубок и различных форм меди, были получены в двухстадийном процессе. Сначала углеродные нанотрубки наносили на подложку из нержавеющей стали с помощью электрофоретического осаждения при постоянном токе. Далее проводили процесс электрохимического осаждения из растворов сульфата меди(II) в условиях высокого перенапряжения. Изменение концентрации катионов меди(II) в растворе и времени осаждения обеспечивало образование различных форм кристаллов. Образцы и их поперечные сечения наблюдали и исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа, оснащенного системой электронной дисперсионной спектроскопии. Анализ химического состава показал, что помимо чистых кристаллов меди образовались кристаллы, характеризующиеся наличием меди и кислорода. Поэтому рамановская спектроскопия была применена для определения неизвестной стехиометрии этого оксида меди. При точечном и углубленном анализе выявлен оксид меди(I) в виде кристаллов разного размера в зависимости от концентрации раствора сульфата меди(II). Для подтверждения этих выводов также были проведены рентгеновские дифракционные измерения при скользящем падении. Сочетание примененных методов позволило детально описать процесс получения нанокомпозитных покрытий с предложенным механизмом образования оксида меди(I).

Электрохимические методы по-прежнему считаются одним из наиболее выгодных методов производства композиционных покрытий, несмотря на постоянное развитие других методов (таких как физическое осаждение из паровой фазы (PVD) или химическое осаждение из паровой фазы (CVD)). Они выделяются среди остальных своей высокой универсальностью, повторяемостью и простотой в сочетании с точным контролем свойств получаемой продукции1,2. Другими преимуществами являются низкая стоимость, уменьшенное количество отходов и легкая масштабируемость оборудования, используемого в электрохимических процессах. Более того, изменяя параметры процесса, можно адаптировать важные свойства покрытий, такие как их толщина, шероховатость и морфология3,4,5. Эти преимущества, а также разнообразие получаемых материалов и областей их применения ставят электрохимию в центр внимания исследователей многих областей науки. Композитные покрытия, в которых частицы проводящей матрицы могут быть металлическими, полимерными или керамическими, успешно используются в электронике, поверхностной технике, аэрокосмической промышленности или защите от коррозии6,7,8,9,10,11. Процессы электрохимического осаждения (ЭХД) известны с начала девятнадцатого века, но исследования, объясняющие их механизмы, все еще продолжаются. Хотя электрохимические реакции, происходящие в процессе электроосаждения, относительно легко сбалансировать с помощью нескольких окислительно-восстановительных уравнений, отдельные этапы процесса, протекающие по определенным механизмам, все еще являются предметом исследований и моделирования процессов12,13. Проще говоря, ЭЗД основан на модификации поверхности проводящей подложки тонким и плотно прилегающим покрытием из желаемого материала, нанесенным из раствора. Оно происходит на границе двух фаз: жидкой (электролит) и твердой (электроды) в замкнутой электрической цепи. Система может быть далека от состояния химического равновесия, поскольку приложенные потенциалы могут отличаться от равновесных значений, определяемых уравнением Нернста или диаграммами Пурбе14. Следовательно, контролируя приложенный потенциал и pH, можно получать различные формы (химические, структурные или кристаллографические) материала из одного и того же раствора15,16,17.

Медь является одним из металлов, наиболее широко используемых в промышленности и в настоящее время наиболее применяемым материалом для ЭЗД. В основном это связано с его превосходной теплопроводностью и электропроводностью, а также антикоррозийными свойствами. В кислых растворах катионы меди(II) (Cu2+) непосредственно восстанавливаются до металлической меди (Cu) по следующей реакции: