离子液体在低温电沉积制备纳米铝中的应用基础研究

Nano aluminium has high chemical activity and combustion energy owing to its particular structure. Nowadays, nano aluminium has been used in military industry, electronics, aerospace engineering and so on. The traditional methods for nano aluminium production are mainly physical and chemical solution processes. However, these methods still have some inherent problems, such as low safety, high pollution, high energy consumption and low yield, which restrict the large-scale production and application of nano aluminium. Therefore, developing more novel technologies is key to the production of nano aluminium. Ionic liquids are a new class of low-temperature electrolytes, which has high electrical conductivity, broad electrochemical window and negligible vapor pressure. Nano aluminium can be electrodeposited from ionic liquids at room temperature. The electrodeposition process is low-temperature, low-energy consumption and very safe, in which high-purity nano aluminium can be obtained. Nevertheless, the research on the mechanism and regulation of electrochemical reactions is limited. The current efficiency of electrodeposition is low. In this project, new functional ionic liquids with excellent properties will be synthesized on the basis of molecular simulation and structural optimization. Then, the electrolytes and electrode materials for electrodeposition of aluminium will be prepared. Meanwhile, we will study on the mechanism of electrodeposition and growth regulation of aluminium to improve the product quality and reaction efficiency. It's anticipated that this project can provide scientific and practical foundation for the industrial application of new technology.

纳米铝因其特殊的结构而具有很高的化学活性和燃烧能量，目前已应用于军工、电子和航空航天等前沿领域。纳米铝的传统生产工艺主要包括物理法和溶液化学法，相关生产过程存在着安全性差、污染重、能耗高和收率低等技术上的固有缺陷，限制了纳米铝的规模化生产和应用。因此，开发新型的制备方法是解决这一问题的关键。离子液体是一种新型的低温熔融电解质，具有较高的电导率、较宽的电化学窗口和极低的挥发性等优点，可以在室温下实现纳米铝的电沉积制备。反应过程温度低，能耗小，安全性好，可获得较高的收率和高纯度的纳米铝产品。然而，已有研究对微观电化学反应过程和调控机制认识不足，且电沉积电流效率较低。本项目从上述背景出发，拟在分子模拟和结构优化的基础上，完成电解质的配制和电极材料的开发，深入研究电沉积过程中的反应原理，掌握铝的生长调控机制，进一步提高纳米铝的质量和反应效率。有关工作将为新技术的工业化应用提供科学和实践依据。

纳米铝具有很高的化学活性和燃烧能量，可以作为高能燃料应用于军工、航空和航天等前沿领域。纳米铝的传统制备工艺存在着污染重、能耗高和安全性差等问题，因此需要开发新型的绿色制备方法。离子液体是一种新型的绿色电解质，具有优良的物理化学性质，可以在室温附近通过电沉积实现纳米铝的制备。该方法具有温度低、能耗低、安全环保、可调节性强等优点，应用前景较好。然而，国内外对相关的微观反应机理和调控机制认识仍然不足，电沉积反应效率较低。.本项目从上述背景出发，通过理论模拟方法对离子液体的结构进行了设计与优化，并对离子液体的组成进行了系统表征和研究。在此基础上，进一步探索了离子液体型电解质的物理化学性质，完成了体系的电化学性能的全面测试，加深了对铝电沉积过程的认识。研究发现，离子在电极表面形成的双电层结构对铝的沉积形貌影响较大。通过调节阳离子的结构降低离子间相互作用力，或者加入适量具有电化学活性的芳香型添加剂，都能够显著降低铝晶体的尺寸，平均粒径可达到100 nm以下。同时，采用玻璃碳作为新型电极材料，不仅提高了纳米铝的质量和反应效率，也有利于降低生产成本。微观形貌、晶型结构和化学组成的研究表明，所获得的纳米铝具有较高的纯度。当晶体生长的优先取向为（200）时，沉积层均一致密，纳米铝的粒径范围为20~50 nm。通过长时间的连续试验，获得了电沉积反应的最佳条件，并建立了详实的实验数据体系和纳米铝的调控方法，提出了技术与设备的优化设计方案。.总之，本项目的有关工作取得了重要进展，获得了较好的科研成果，达到了预期的各项要求，完成了既定的研究任务。同时，本项目的顺利完成，对推动离子液体低温电沉积制备纳米铝技术的研究和应用将起到积极的推动作用。