离子液体在铜电沉积中的作用机理研究

Electrodeposition is an effective method for metal extraction and refining. Additives are known to play an irreplaceable role in increasing current efficiency, reducing power consumption, and producing leveled, smooth and compact cathodic deposits during metal electrodeposition process. According to the defects of traditional colloidal and organic additives, such as bad chemical and thermal stability, high toxicity, etc., the use of ionic liquids (ILs) as a kind of new additives in copper electrodeposition is firstly presented in this project based on the high chemical and thermal stability, good thermal and ionic conductivity and environment-friendly characteristics of ILs.Some system studies need to be done in aspects of the existing form of ILs in electrolyte, the adsorption mechanism of ILs on the metal surface,the influencing mechanism of ILs on the electrode reactions, and the growth and regulation mechanism of the cathodic copper in the presence of ILs.These studies not only provide important scientific significance for enriching the electrochemical theory of ILs and deeply understanding the mechanism of ILs in copper elecreodepsotion, but more importantly,provide theoretical basis for the developing of high efficient, good chemical and thermal stability, and environment-friendly novel additives and offer certain practical significance to the electrodeposition of copper and other metals.

电沉积是金属提取和精炼的有效方法，添加剂在金属电沉积过程中对于提高电流效率，降低能耗，获得表面平整、光滑、结构致密的阴极金属，具有不可替代的重要作用。本项目针对传统胶类和有机添加剂存在化学热稳定性差、毒性较强等缺陷，率先提出利用离子液体性质稳定、导热导电性良好和环境友好的特点，将其作为一类新型添加剂用于铜的电沉积，系统研究离子液体在电解液中的存在形态和在金属表面的吸附机理、离子液体对电极反应的影响机制、阴极铜在离子液体作用下的形核和生长机理与调控机制。研究工作对于丰富离子液体的电化学理论，深入了解离子液体在铜电沉积中的作用机理具有重要的科学意义，为开发高效、化学稳定性高、环境友好的新型添加剂提供理论依据，对铜和其它金属的电沉积具有重要的实际意义。

课题利用离子液体性质稳定、导热导电性良好和环境友好的特点，将其用于铜的电沉积。研究工作选取三类不同构型的离子液体（咪唑类、吡啶类和季铵类不同阳离子和特定配阴离子）开展了深入探讨；研究表明构成离子液体的阳离子含N基团具有特性吸附功能，与荷负电的电极表面之间形成了某种类似“离子键”的化学键吸附，根据烷基支链和含N基团吸附能力的不同对铜的电化学还原产生不同程度的抑制作用。咪唑类和季铵类离子液体作用类似，抑制作用主要源于功能基团的界面特性吸附，导致初期铜的电结晶由瞬时形核向连续形核的三维生长方式转变，促进铜晶粒的水平方向生长，利于获得球形颗粒状和平整、致密的片层状沉积层；吡啶类离子液体会与体系中铜离子发生络合作用，电还原涉及中间络合步骤；阻化作用受络合反应和界面特性吸附双重作用影响，抑制效果更加明显，易于形成纳米构型(300-500 nm)铜沉积层。通过条件控制可实现离子液体作用下不同形貌和特殊结构金属铜的可控制备。同时，针对离子液体的有序氢键结构和强极性特点，探索了电沉积制备纳米/微米铜功能材料。如咪唑离子液体[BMIM]BF4室温原位还原固态CuCl制备高纯微米多孔铜，电流效率达97%；低共融型离子液体原位还原固态CuO制备高纯微米多孔铜块体(钮扣状，直径15 mm)；低共融型离子液体可控制备纳米铜粉(28±7 nm和57±6 nm)等。研究工作提供了有别于传统水溶液制备铜及铜功能材料的新方法，提出了一些不同于分子溶剂环境适用于离子液体体系的电化学新机理；课题研究对于丰富离子液体电化学理论，发展高品质铜及其功能材料的电沉积提取新技术提供了科学依据和技术支撑。