Катодное поведение медного электрода в апротонном растворе бария

УДК 541.135.4

О.Н. Щербинина, Д.А. Слепухин

КАТОДНОЕ ПОВЕДЕНИЕ МЕДНОГО ЭЛЕКТРОДА В АПРОТОННОМ РАСТВОРЕ БАРИЯ

Методом электрохимического катодного внедрения предложно модифицировать поверхность меди барием из апротонного органического раствора Ba(NO 3)2.Электрохимическая обработка проводилась в широком диапазоне потенциалов и концентраций растворов. Рентгенофазовым анализом обнаружено, что в заданных условиях в поверхностном слое меди формируется твердый раствор Вау:^. Рассчитаны диффузионные характеристики процесса внедрения.

Метод электрохимического катодного внедрения, твердый раствор, потенциал, диффузия.

O.N. Scherbinina, D.A. Slepukhin CATHODE BEHAVIOR OF COPPER ELECTRODE IN APROTONIC BARIUM SOLUTION

It is proposed to modify copper surface from aprotonic solution of

Ba(NO3)2 by barium with the help of electrochemical cathode intrusion

method. Electrochemical treatment was carried out in a wide diapason of potentials and solution concentrations. X-ray phase analysis revealed that solid solution BaXCu is formed in surface layer of copper. Diffusion characteristics of intrusion process were calculated in the article.

Electrochemical cathode, intrusion method, solid solution, potential, diffusion.

Известно, что внедрение бария в поверхностный слой других металлов существенно уменьшает работу выхода электрона [1]. Поэтому сплавы, содержащие барий, например, Ba-Ni, Ba-Cu, находят практическое применение в электронных и электрических устройствах. Целью настоящей работы являлось изучение возможности легирования меди барием с применением метода электрохимического внедрения. Преимущество процесса электрохимического внедрения в том, что уже на начальном этапе электровыделение металлов протекает через образование ад-ионов, их превращение в ад-атомы и диффузию ад-атомов по вакансиям в глубь электрода, то есть на

наноразмерном уровне. Объединяясь в ансамбли, ад-атомы образуют наноструктуры,

свойства которых будут зависеть не только от особенностей кристаллической решетки металла электрода, но также от концентрации дефектов, как на поверхности металла, так и в его объеме, и от возможности перехода внедряющихся атомов в разновалентное состояние в связи с протеканием процессов электронного обмена. Вследствие этого такие системы можно использовать для формирования многофункциональных наноматериалов, нашедших применение в области хемо-, пьезо-, термоэлектрики, магнитоструктуры и др.

Измерения проводили в 0,10 и 0,05М растворах бария Ва(КО3)2 в ДМФ при потенциалах -2,0^-2,8 (шаг 0,2 В) и температуре 20°С. Потенциал измеряли относительно неводного хлорсеребряного электрода сравнения. В работе использовали потенциостат П-5848 в комплекте с самопишущим потенциометром КСП-4. Время каждого опыта составляло 45 минут. Растворы готовили из перекристаллизованного реактива. Площадь рабочей поверхности меди (99,99 мас.% Си) составляла 2 см2. Перед опытом электроды подвергали механической обработке с последующим электрохимическим полированием в растворе следующего состава: Н3РО4 - 1200 г/л, СгО3 - 120 г/л, ^ = 20-30°С, ¡а = 30^50 А/дм2, выдержка 2 мин [2], промывали и сушили в сушильном шкафу. Рентгенофазовый анализ образцов проводили на установке ДРОН-3М с использованием С0-Ка излучения. Лазерный эмиссионный микроспектральный анализ - на установке «Спектр-2000» [3].

Рис. 1. ПСК Си в 0,05М растворе Ба(М03)2 в ДМФ при потенциалах, В:

1 - -2,8; 2 - -2,6; 3 - -2,4; 4 - -2,2; 5 - -2,0

Характер бестоковых хронопотенциограмм (рис. 2, 4) показывает образование твердого раствора бария в медном электроде, как и результаты рентгенофазового анализа (рис. 5) Смещение бестокового потенциала медного электрода в отрицательную сторону после катодной поляризации подтверждает внедрение бария в медь согласно реакции

хВа2+ +2хе- + х^Си ^ ВахСи .

О Н-------------1-------------1------------1------------1------------1-------------1------------1------------1------------г

Рис. 2. Бестоковые хронопотенциограммы, для Си электрода в 0,05 М растворе Ба(Ы03)2 в ДМФ при потенциалах, В: 1----------2,8; 2---2,6; 3 —2,4; 4--2,2; 5 - 2,0

Рис. 3. ПСК Си в 0,1 М растворе Ба(Ы03)2 в ДМФ при потенциалах, В: 1 - -2,8; 2 - -2,6; 3 - -2,4; 4 - -2,2; 5 - 2,0

и с

Рис. 4. Бестоковые хронопотенциограммы, для Си электрода в 0,1 М растворе Ба(Ы03)2 в ДМФ при потенциалах, В: 1--------2,0; 2---2,4; 3-2,6; 4---2,8; 5--2,2

Согласно результатам расчета диффузионных параметров, скорость внедрения бария в медь в зависимости от Ек и концентрации раствора носит неоднозначный характер

(табл. 1). В 0,05 молярном растворе зависимость С0л[о -Ек имеет волновой характер, а в

0,1 молярном величина С0у[о возрастает по мере увеличения потенциала.

»  ... ... .

100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 20 «

Рис. 5. Рентгенограмма медно-бариевого электрода, полученного в 0,1 моль/л растворе Ба(Ы03)2

в ДМФ при Ек = -2,8 В в течение 45 мин

Таблица 1

Влияние катодного потенциала на диффузионные характеристики процесса внедрения бария в медный электрод из раствора Ва(ЫО3)2 в ДМФ различных концентраций

Концентрация Ba

Е = -2,0 В Е = -2,2 В Е = -2,4 В Е = -2,6 В Е = -2,8 В

0,05 2,02 0,02 4,1 1,18 0,01 6,2 2,93 0,03 6,5 3,30 0,03 7,0 1,90 0,02 7,5

0,10 5,56 0,06 9,7 6,55 0,07 19,0 6,98 0,07 19,2 11,1 0,12 22,2 12,7 0,13 23,5

Согласно данным лазерного микрозондового анализа (табл. 2), барий легко проникает в структуру медного электрода и накапливается в больших количествах. Содержание бария в медном электроде меняется от 52% ат на глубине 145 мкм до 11% ат на глубине 230 мкм.

Таблица 2

Процентное содержание бария в меди после ее катодной обработки в растворе Ва(Ы03)2 различной концентрации и потенциалах поляризации

Глубина, мкм Ва^03)2, моль/ л

0,10 0,05 0,025

Потенциал, В Потенциал, В Потенциал, В

-2,0 -2,4 -2,8 -2,0 -2,4 -2,8 -2,0 -2,4 -2,8

145 45,2 50,1 53,7 35,0 37,8 47,4 41,9 60,8 61,5

185 13,8 16,5 18,4 11,5 10,9 13,2 10,3 20,8 34,1

210 11,3 15,3 15,6 9,1 8,6 9,3 2,7 12,6 22,6

230 8,6 8,3 13,7 5,1 1,3 7,6 0,3 7,0 10,1

Таким образом, согласно проведенным исследованиям, установлена

принципиальная возможность формирования в поверхностном слое медного электрода твердого раствора Ва(Си) методом электрохимического катодного внедрения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Дриц М.И. Сплавы щелочных и щелочно-земельных металлов: справочник / М.И. Дриц, Л. Л. Зусман. М.: Металлургия, 1986. 248 с.

2. Ажогин Ф.Ф. Гальванотехника: справ. изд. / Ф.Ф. Ажогин М.: Металлургия. 1987. 736 с.

3. Applications of direct atomic laser spectral analysis of laser plasma for determination of inorganic components presence in biological objects / A.E. Kriger, E.L. Surmenko, L A. Surmenko, V.V. Tuchin // Proc. SPIE. Bellingham, SPIE. 1999. Vol. 4001. P. 299-303.

Щербинина Оксана Николаевна - Scherbinina Oksana Nikolaevna -

кандидат химических наук, доцент кафедры Candidate of Chemical Sciences,

«Машины и аппараты химических Associate Professor of the Department

производств» Энгельсского технологического of «Machines and Mechanisms

института (филиала) of Chemical Production»

Саратовского государственного технического университета

of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University

Слепухин Дмитрий Александрович -

аспирант кафедры «Технология электрохимических производств» Энгельсского технологического института (филиала) Саратовского государственного технического университета

Slepukhin Dmitriy Aleksandrovich -

Postgraduate Student of the Department of «Technology of Electro-chemical Production»

of Engels Technological Institute (branch) of Saratov State Technical University

Статья поступила в редакцию 11.03.10, принята к опубликованию 30.06.10