張國(guó)堤，李富祥，陳劍虹，曹睿，林巧力

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Wood液態(tài)合金在NaOH溶液中的電化學(xué)反應(yīng)及表面張力變化行為

張國(guó)堤，李富祥，陳劍虹，曹睿，林巧力

（蘭州理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅蘭州730050）

通過(guò)改變液體金屬在NaOH溶液中所處的環(huán)境介質(zhì)，利用石墨電極對(duì)其施加電場(chǎng)，研究了液態(tài)金屬的表面張力、界面電化學(xué)反應(yīng)、氧化膜的產(chǎn)生、溶液中電潤(rùn)濕等動(dòng)態(tài)過(guò)程。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)Wood合金液滴在陽(yáng)極發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧化膜會(huì)迅速減小表面張力并發(fā)生鋪展，在陰極發(fā)生還原反應(yīng)會(huì)使帶氧化膜的金屬在3 s內(nèi)恢復(fù)到原狀，電毛細(xì)作用力使氧化膜破裂，各氧化物與NaOH反應(yīng)產(chǎn)生Sn(OH)62-、SnO32-、SnO22-、PbO32-、Cd(OH)42-使溶液的顏色發(fā)生改變，溶液中生成Bi2O3-Bi(OH)3白色共聚物。薄膜電介質(zhì)層潤(rùn)濕和溶液中電潤(rùn)濕機(jī)理在本質(zhì)上相同，表面張力隨著電壓的增大而減小并發(fā)生明顯的電潤(rùn)濕鋪展過(guò)程，但由于金屬液滴通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)所能吸附的OH-數(shù)量有限，潤(rùn)濕角存在飽和性。

氧化；還原；電化學(xué)；界面張力；電解質(zhì)；微流體學(xué)

引 言

液態(tài)金屬是由金屬正離子流體和自由電子氣構(gòu)成[1]的不定形金屬物質(zhì)，常見(jiàn)的Hg就是典型的液態(tài)金屬。隨著合金制備技術(shù)的發(fā)展，液態(tài)金屬的種類(lèi)更加豐富，如新型液態(tài)金屬Wood合金、Ga-In合金，且具有低熔點(diǎn)、高沸點(diǎn)、高熱導(dǎo)率等特殊性能，相比于Hg又具有無(wú)揮發(fā)毒性的優(yōu)勢(shì)[2]，使其在工業(yè)技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前，液態(tài)金屬的應(yīng)用已取得了顯著的成果，如利用金屬鎵實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬散裂靶技術(shù)[3]、差動(dòng)變壓器式單點(diǎn)液態(tài)金屬液位計(jì)的研制[4]、液態(tài)金屬磁流體發(fā)電機(jī)的研制[5]等成果。

液態(tài)金屬的研究多集中在液態(tài)金屬電介質(zhì)潤(rùn)濕、液滴接觸角變化及鋪展過(guò)程[6]等方面，通常選用液態(tài)Hg，采用介質(zhì)電潤(rùn)濕技術(shù)使Hg液滴處于固態(tài)基板陽(yáng)極氧化鋁之上，通過(guò)調(diào)節(jié)施加在液滴和絕緣介質(zhì)層下電極之間的電壓去改變液滴宏觀特性[7]。這種方法因具有液滴接觸角調(diào)節(jié)幅度較大、操作簡(jiǎn)單、液態(tài)金屬性能穩(wěn)定等特點(diǎn)受到了眾多研究者的青睞。研究成果雖可觀，但技術(shù)仍存在弊端，如Hg易揮發(fā)且有毒性使得實(shí)驗(yàn)裝置體系和周?chē)h(huán)境需要額外的防護(hù)、金屬液滴只能在特定的空間進(jìn)行潤(rùn)濕、變形也限制了金屬液滴在微機(jī)電驅(qū)動(dòng)設(shè)備的應(yīng)用等[8-10]。本研究將使用性能穩(wěn)定、熔點(diǎn)低的液態(tài)金屬Wood合金取代Hg進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并將電介質(zhì)層由固態(tài)氧化鋁薄膜轉(zhuǎn)變?yōu)镹aOH溶液體系進(jìn)行電潤(rùn)濕實(shí)驗(yàn)，這種改進(jìn)不僅降低了材料的毒性，又可靈敏地控制液態(tài)金屬表面氧化膜的產(chǎn)生和表面張力的改變，增加了液態(tài)金屬的潤(rùn)滑性[10]、流動(dòng)性、靈敏性，為液態(tài)金屬在微型信號(hào)記錄裝置[11]的開(kāi)發(fā)提供了可觀的利用前景。

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.1 分析測(cè)試儀器及材料

光學(xué)接觸角/表面張力測(cè)量?jī)x，寧波新邊界科學(xué)儀器有限公司；SET系列高精度數(shù)顯恒溫加熱臺(tái)，深圳市帆與航電子科技有限公司；電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x，上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司；電壓/電流輸出裝置，深圳市美瑞克電子科技有限公司；電子微量天平（精度為0.1 mg），玻璃培養(yǎng)皿（直徑為10 cm），石墨電極(直徑為0.5 mm)，坐標(biāo)紙等。

純度為96%的NaOH顆粒，二次蒸餾水，化學(xué)成分為Bi-50%、Pb-25%、Sn-12.5%、Cd-12.5%且熔點(diǎn)為70℃的Wood合金，材料均來(lái)自國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑廠。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

在3×10-4Pa的高真空下，采用光學(xué)接觸角/表面張力測(cè)量?jī)x并應(yīng)用ADSA軟件測(cè)量并計(jì)算了Wood合金在100℃的表面張力和密度分別為295 mN·m-1和9.6 g·m-3，實(shí)驗(yàn)所用NaOH電解液濃度為0.15 mol·L-1，依據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)條件，Wood合金質(zhì)量為1.0～4.0 g，外置電源為直流穩(wěn)壓電源并采用石墨電極，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程在恒溫加熱臺(tái)上進(jìn)行，溫度維持在80℃，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的裝置過(guò)程如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)均采用石墨電極（一極接入液體金屬內(nèi)部，一極接入溶液），陰極、陽(yáng)極電極之間的間距恒定為4 cm的初始設(shè)置，交換兩電極相連的導(dǎo)線(xiàn)在直流穩(wěn)壓電源輸出端的接口順序，使得兩電極呈現(xiàn)陰陽(yáng)極的轉(zhuǎn)變。當(dāng)陽(yáng)極接入液態(tài)金屬內(nèi)部，陰極接入溶液時(shí)，金屬液滴會(huì)發(fā)生氧化反應(yīng)，反之發(fā)生還原反應(yīng)，拍攝動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 Wood合金液滴電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程

2.1.1 Wood合金液滴氧化過(guò)程動(dòng)態(tài)分析 使用3.7623 g的Wood合金、80 ml 0.15 mol·L-1的NaOH電解質(zhì)溶液進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，按圖1裝置和實(shí)驗(yàn)初始設(shè)置連接好設(shè)備通電進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。當(dāng)陽(yáng)極插入液體金屬，陰極插入電解質(zhì)溶液時(shí)，陽(yáng)極產(chǎn)生O2且液滴表面發(fā)生氧化反應(yīng)，陰極產(chǎn)生H2，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖2所示。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電壓過(guò)小時(shí)反應(yīng)現(xiàn)象不明顯，電壓過(guò)大時(shí)電化學(xué)過(guò)于劇烈，這兩種狀態(tài)不利于現(xiàn)象的觀察，通過(guò)對(duì)比不同電壓下的反應(yīng)現(xiàn)象，在10 V時(shí)的反應(yīng)現(xiàn)象有利于觀察，因此本實(shí)驗(yàn)電壓設(shè)置均選擇10 V。

如圖2所示，當(dāng)陽(yáng)極接入液滴，其表面產(chǎn)生氧化膜，液滴發(fā)生明顯的電潤(rùn)濕現(xiàn)象和動(dòng)態(tài)的鋪展過(guò)程，由于Wood合金由不同的元素組成，氧化膜的顏色發(fā)生亮白、金黃色、深棕色等動(dòng)態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)中陽(yáng)極發(fā)生水的電解反應(yīng)

OH--4e-=O2↑+2H2O

各金屬元素利用電流作為激活能來(lái)源，在O2的作用下迅速被氧化，反應(yīng)方程式為

4Bi+2Cd+Sn+Pb+6O2=2Bi2O3+SnO2+PbO2+2CdO

由此液滴表面氧化物是由CdO、SnO2、Bi2O3、PbO2等物質(zhì)組成。由于Bi2O3不溶于水和堿，Bi2O3在NaOH溶液中會(huì)生成Bi(OH)3，反應(yīng)式為

Bi2O3+2NaOH=2NaBiO2+H2O

NaBiO2+2H2O=Bi(OH)3+NaOH

Bi的氫氧化物不溶于水和堿，性狀呈白色，所以白色絮狀沉淀為Bi2O3-Bi(OH)3共聚物。又PbO2能溶于NaOH溶液中生成鉛鹽，所以在加熱條件下，PbO易被O2氧化成PbO2并發(fā)生反應(yīng)

PbO2+2NaOH=Na2PbO3+H2O

SnO2可與堿溶液共溶產(chǎn)生錫酸鹽，反應(yīng)方程式為

SnO2+2NaOH+2H2O=Na2Sn(OH)6

Sn(OH)4和Sn(OH)2和強(qiáng)堿可發(fā)生反應(yīng)而溶解，反應(yīng)方程式為

Sn(OH)4+Sn(OH)2+4OH-=SnO32-+SnO22-+5H2O

實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明Sn、Pb熔體在甘油中發(fā)生電潤(rùn)濕時(shí)溶液呈金黃色[12]，所以溶液的顏色發(fā)生改變是由于Sn、Pb元素的氧化物在熱的NaOH溶液中的溶解度不同導(dǎo)致。實(shí)驗(yàn)過(guò)程產(chǎn)生的氧化物CdO，加熱可溶于堿生成Cd(OH)42?，反應(yīng)方程式為

CdO+2NaOH+H2O=Na2Cd(OH)4

所以實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生白色絮狀沉淀為Bi2O3-Bi(OH)3共聚物，溶液中Sn(OH)62-、SnO32-、SnO22-、PbO32-、Cd(OH)42-的產(chǎn)生改變了溶液的顏色。

2.1.2 Wood合金液滴還原過(guò)程動(dòng)態(tài)分析 陰極接入已被氧化液體金屬，陽(yáng)極接入溶液時(shí)，實(shí)驗(yàn)環(huán)境為初始設(shè)置，此時(shí)陰極發(fā)生還原反應(yīng)，Wood合金液滴發(fā)生明顯的電毛細(xì)現(xiàn)象而被拉長(zhǎng)，氧化膜迅速破裂溶解，液滴的潤(rùn)濕角增大，圖3所示為已被氧化膜包裹的液態(tài)金屬被還原時(shí)候的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

當(dāng)陰極接入已被氧化了的金屬液滴時(shí)，液滴呈扁平狀，其表面張力最小[圖3(a)]，施加電場(chǎng)（10 V）1 s后液滴的接觸角開(kāi)始變大，表面鼓起，氧化膜開(kāi)始破裂溶解，在陰極端水被電解產(chǎn)生H2[圖3(b)]，施加電場(chǎng)（10 V）3 s后，隨著電壓的持續(xù)作用，金屬液滴的氧化膜完全去除，此時(shí)表面張力最大，發(fā)生明顯的電毛細(xì)現(xiàn)象使得液滴被拉長(zhǎng)[圖3(c)]。

根據(jù)元素的氧化還原規(guī)律，陰極產(chǎn)生的H2不能還原PbO2、CdO、SnO2、CdO，對(duì)于氧化物Bi2O3，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)摩爾反應(yīng)Gibbs自由能Δrm?=ΣBB?及標(biāo)準(zhǔn)摩爾生成Gibbs自由能Δ?=?ln之間關(guān)系得出在實(shí)驗(yàn)中溫度為353 K時(shí)化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)為1.6276×10-27（一般>105反應(yīng)較完全，<10-5反應(yīng)很難進(jìn)行[13]）。由于平衡常數(shù)太小，陰極產(chǎn)生H2不能還原Bi2O3，電毛細(xì)作用力才使液滴被拉長(zhǎng)，表面張力迅速增大，氧化膜破裂并溶解于電解質(zhì)溶液中。

2.2 電毛細(xì)作用對(duì)Wood液滴表面張力的影響

陽(yáng)極接入液態(tài)金屬，陰極接入溶液，實(shí)驗(yàn)體系為初始設(shè)置，在電流的作用下陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)。用電導(dǎo)率測(cè)量?jī)x器測(cè)得80℃時(shí)不同濃度的NaOH溶液的電導(dǎo)率，如圖4所示，溶液的電導(dǎo)率隨著濃度的增大而增大，濃度0.15 moL·L-1時(shí)，NaOH的電導(dǎo)率為3.17 S·m-1，表1為Wood合金各元素的電導(dǎo)率。

表1 Wood合金各元素的電導(dǎo)率

根據(jù)電導(dǎo)率測(cè)量數(shù)據(jù)，液態(tài)金屬的電導(dǎo)率明顯強(qiáng)于NaOH溶液，金屬表面氧化膜的電導(dǎo)率又明顯小于本身，在溶液和氧化膜的雙重作用下，Wood合金液滴和溶液之間的界面兩側(cè)的電導(dǎo)率出現(xiàn)明顯的差異性。圖5所示為溶液中電潤(rùn)濕原理，液態(tài)金屬與溶液反應(yīng)帶有負(fù)電荷，金屬本身是等勢(shì)體，溶液中大量的正離子會(huì)聚集在溶液表面與負(fù)電荷一一對(duì)應(yīng)形成等勢(shì)體并在界面構(gòu)成離子雙電層[14]。在電導(dǎo)率差異性和離子雙電子層的共同作用下，金屬和溶液界面會(huì)形成類(lèi)似于介質(zhì)層的微型電容裝置，在通電情況下則發(fā)生電潤(rùn)濕現(xiàn)象?？萍脊ぷ髡咴赮oung方程的基礎(chǔ)上[15-17]確立了潤(rùn)濕角與電極電壓、電介質(zhì)之間的關(guān)系式

式中，0為電壓為零時(shí)的潤(rùn)濕角；0為真空介電常數(shù)；d為電介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)，絕緣電介質(zhì)層的材料多選用陽(yáng)極氧化鋁多孔層，本實(shí)驗(yàn)溶液中電潤(rùn)濕則由氧化膜構(gòu)成，由式(1)可知液滴的潤(rùn)濕角與電介質(zhì)層的厚度呈反比，與外電場(chǎng)電極電壓呈正比，這種變化規(guī)律不是持續(xù)的，存在潤(rùn)濕角飽和的現(xiàn)象，金屬液滴的潤(rùn)濕角隨著電壓的增大而減小。

圖5 溶液中電潤(rùn)濕原理

Fig.5 Schematic diagram of electrowetting in solution

在NaOH電解質(zhì)溶液中，液態(tài)金屬隨著電壓的增大潤(rùn)濕角減小的現(xiàn)象與溶液中離子轉(zhuǎn)移、金屬液滴表面電荷的分布對(duì)液態(tài)金屬的表面張力的影響有關(guān)，其本質(zhì)由電毛細(xì)現(xiàn)象決定[18-20]。由于液態(tài)金屬電極與溶液界面之間存在界面張力，Wood合金和水在80℃時(shí)表面張力[17]大約為295和72 mN·m-1，因此液滴的表面張力對(duì)界面張力起主導(dǎo)作用，它與兩相間界面面積呈反比，所以電壓的增大引起液滴的表面張力減小，液滴發(fā)生潤(rùn)濕且表面積增大。由電毛細(xì)曲線(xiàn)[21]規(guī)律可知單位電極表面剩余電荷量與表面張力呈反比，液滴在未施加電壓時(shí)沒(méi)有發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，表面所攜帶的電荷非常少，此時(shí)表面張力為最大值。由電荷密度M的定性公式M=?(d/d)，（表面張力為d，電極電勢(shì)為d）可知，電極表面電荷無(wú)論正負(fù)，電荷量的增加均使表面張力降低[22-24]，當(dāng)本實(shí)驗(yàn)溶液體系改為HCl、H2SO4等酸性溶液，液滴發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)使其表面吸附H+而攜正電荷時(shí)也可等效的分析。根據(jù)Lippmann-Young方程[25]可得出電壓存在下液滴表面張力電極電壓之間的關(guān)系式(2)，金屬液滴的表面張力與所施加電壓呈二次方關(guān)系

式中，Me-A為液態(tài)金屬與電解質(zhì)溶液的表面張力；0為未施加電壓時(shí)的表面張力；為所形成界面的電容；為所施加的電壓。電介質(zhì)潤(rùn)濕技術(shù)通常需要較薄的、絕緣性良好、不易被電壓所擊穿的材料如氧化鋁薄膜才可產(chǎn)生理想效果。實(shí)驗(yàn)中液態(tài)金屬在溶液發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)所形成的離子雙電子層與陽(yáng)極氧化鋁介質(zhì)層都是微型電容裝置，溶液中形成的介質(zhì)層可根據(jù)電壓進(jìn)行控制，也克服了薄膜電介質(zhì)層的各種弊端。

2.3 氧化膜對(duì)Wood液滴表面張力的影響作用

按圖1裝置并使用4.0 g Wood合金液滴在0.15 mol·L-1的NaOH溶液中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)陽(yáng)極電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧化膜能迅速降低液態(tài)金屬的表面張力。圖6為測(cè)得液滴表面張力隨電極電壓的變化的關(guān)系曲線(xiàn)，當(dāng)電壓較小（0～5 V）時(shí)，液滴表面發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)不明顯，形成的氧化膜較少，在電壓為0時(shí)液滴的表面張力為295 mN·m-1，液滴表面幾乎無(wú)氧化膜，此時(shí)電毛細(xì)作用起主導(dǎo)作用使液滴的表面張力減小。當(dāng)電壓繼續(xù)增加（5～15 V）時(shí)，液滴表面形成較厚的氧化膜，此時(shí)氧化膜起主導(dǎo)作用、電毛細(xì)作用起次要作用使得金屬液滴的表面張力減小。隨著電壓的繼續(xù)增大（15～20 V）時(shí)，無(wú)論電毛細(xì)作用還是表面氧化膜的作用，液滴的表面張力減小趨于緩和并逐漸達(dá)到飽和值。表面氧化膜在金屬表面起到了表面活性劑的作用，當(dāng)陽(yáng)極電極接入金屬液滴且氧化膜未形成時(shí)的表面張力達(dá)到最大值，表面的界面能最高，當(dāng)氧化膜形成時(shí)，金屬-金屬氧化膜、金屬氧化膜-電極界面間的界面能迅速降低。任何一種氧化膜CdO、SnO2、Bi2O3、PbO2的產(chǎn)生，均使大量的OH-吸附在金屬液滴的表面增加其親水性，因此可在NaOH中呈現(xiàn)趨近于0°的接觸角，在基底上順利鋪展開(kāi)。

金屬液滴表面所形成的氧化膜在空氣中的厚度大約為1 nm左右[26-28]，可使金屬液滴在一定的時(shí)間里維持一定的非平衡形狀。增厚的氧化膜產(chǎn)生的壓力對(duì)液滴潤(rùn)濕過(guò)程也有一定的影響，利用機(jī)械作用戳破氧化膜發(fā)現(xiàn)金屬液滴能迅速恢復(fù)到表面張力最大的原始狀態(tài)，所以氧化膜的外壓力作用很小，在氧化膜作用下，金屬液滴表面的吸附作用才是其表面張力減小并發(fā)生潤(rùn)濕過(guò)程的關(guān)鍵。電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的氧化膜和在溶液中溶解的氧化膜相互制約，才使液滴以微流體的形式呈現(xiàn)潤(rùn)濕、鋪展等機(jī)械行為[29-31]。若金屬液滴發(fā)生電潤(rùn)濕鋪展過(guò)程的界面面積最大時(shí)記為max，所對(duì)應(yīng)的界面能量為Me-A×max，此能量取決于金屬液滴與NaOH溶液反應(yīng)所獲得的電荷密度，其所攜帶的負(fù)電荷與表面所吸附OH?濃度有關(guān)，兩者的能量關(guān)系可以定性地描述為

式中，為金屬液滴所吸附OH-的有效系摩爾數(shù)；Δ0為反應(yīng)過(guò)程的Gibbs自由能；為氣體常數(shù)；為溫度，K；[OH-]為OH?的活度。

金屬液滴的表面張力隨著電壓的增大而減小，但程度會(huì)趨于緩和，即存在飽和現(xiàn)象，由于一定量的金屬液滴的表面通過(guò)電化學(xué)所能吸附的OH?有限，所能形成的氧化膜厚度有限。圖7所示為4.0 g Wood合金液滴在0.15 mol·L-1的NaOH溶液中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)所測(cè)得施加的外場(chǎng)電壓和通過(guò)金屬液滴內(nèi)部的電流之間的關(guān)系。隨著電壓的逐漸增大，流經(jīng)金屬液滴內(nèi)部的電流持續(xù)增大，說(shuō)明溶液中電子轉(zhuǎn)移的數(shù)量持續(xù)增多，金屬液滴周?chē)奂碾x子數(shù)量也持續(xù)增多[7]。雖然通過(guò)液滴的電流隨著電壓的增大不會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，但離子的增多并未使液滴的表面張力持續(xù)減小，此規(guī)律也證實(shí)了金屬液滴電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程所能形成氧化膜的量有限，通過(guò)吸附作用所攜帶的電荷量存在飽和值，宏觀上表現(xiàn)為鋪展角的飽和性。

3 結(jié) 論

（1）施加外場(chǎng)電壓時(shí)，陽(yáng)極電極電解H2O產(chǎn)生的O2會(huì)將液態(tài)金屬氧化且產(chǎn)生氧化膜，氧化膜與NaOH溶液反應(yīng)產(chǎn)生的Sn(OH)62-、SnO32-、SnO22?、PbO32?、Cd(OH)42?改變了溶液的顏色，溶液中白色絮狀沉淀為Bi2O3-Bi(OH)3共聚物。

（2）施加外場(chǎng)電壓時(shí)，陰極電極電解H2O產(chǎn)生的H2不能夠還原金屬表面的氧化膜，但電極誘發(fā)的電毛細(xì)作用力可使金屬液滴氧化膜破裂并被拉長(zhǎng)，部分氧化膜溶解于溶液中。金屬液滴通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程可在較低的電壓作用下迅速且可逆的控制表面氧化膜的形成，并作為良好的表面活性劑實(shí)現(xiàn)液滴的表面張力在20～295 mN·m-1之間轉(zhuǎn)變，人工控制液滴的鋪展行為。

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Electrochemical reaction and surface tension change of Wood liquid alloy in NaOH solution

ZHANG Guodi, LI Fuxiang, CHEN Jianhong, CAO Rui, LIN Qiaoli

(State Key Laboratory of Advanced Processing and Recycling of Non-ferrous Metal, College of Material Science and Engineering, Lanzhou University of Technology, Lanzhou 730050, Gansu, China)

By variation of liquid Wood metal’s environment in NaOH solution and application of electric field with graphite electrode, surface tension of the liquid metal, interfacial electrochemical reaction, generation of oxidation film, and other dynamic processes were studied. The results showed that thin oxidation film on the surface of Wood alloy droplets which was formed by anodic oxidation reaction quickly reduced surface tension of Wood alloy and the oxidation film on surface of liquid alloy droplets would return to neutral state by cathodic reduction reaction within 3 seconds. The electrical capillary force broke the oxide film so that metal oxides reacted with NaOH to generate ions of Sn(OH)62-、SnO32-、SnO22-、PbO32-、Cd(OH)42-which altered solution colors with a white precipitate of Bi2O3-Bi(OH)3copolymer. The dielectric wetting and solution electrowetting on thin film essentially had the same mechanism. With the increase of voltage, the surface tension was decreased and electrowetting spreading process was occurred obviously, but the wetting angle exhibited saturation as a result of limited number of OH-ions adsorbed on alloy droplets by electrochemical reactions.

oxidation; reduction; electrochemistry; interfacial tension; electrolyte; microfluidics

10.11949/j.issn.0438-1157.20160946

O 646

A

0438—1157（2017）03—1122—07

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51665031）；甘肅省杰出青年基金項(xiàng)目（1506RJDA087）。

2016-07-11收到初稿，2016-11-28收到修改稿。

聯(lián)系人：林巧力。第一作者：張國(guó)堤（1992—），男，碩士研究生。

2016-07-11.

LIN Qiaoli, lqllinqiaoli@163.com

supported by the National Natural Science Foundation of China (51665031) and the Outstanding Youth Foundation of Gansu (1506RJDA087).