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        銀基材料制備過程電化學技術(shù)應用進展

        2022-10-20 06:35:04常意川李代穎阮潤李談志衛(wèi)
        船電技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:純銀電解法銀粉

        常意川,李代穎,程 耿,阮潤李,談志衛(wèi)

        綜述

        銀基材料制備過程電化學技術(shù)應用進展

        常意川,李代穎,程 耿,阮潤李,談志衛(wèi)

        (武漢船用電力推進裝置研究所,武漢 430064)

        綜述了電化學技術(shù)提純銀和制備超細銀粉的研究現(xiàn)狀,分析了電解法和電沉積法提純銀的原理及其制備超高純銀的過程,比較了兩種方法的應用領(lǐng)域,同時介紹了電化學技術(shù)可控制備枝狀、球狀、片狀、納米線等不同形貌超細銀粉的方法,最后對電化學技術(shù)在銀基材料制備過程的應用前景進行了展望。

        電化學技術(shù) 銀基材料 提純 超高純銀 超細銀粉

        0 引言

        貴金屬銀具有優(yōu)異的導電、導熱等性能,被廣泛應用于感光材料、裝飾材料、電接觸材料、復合材料、銀合金焊料、銀漿、能源工業(yè)材料(電池、燃料電池、太陽能、核能)、催化材料、醫(yī)藥材料和抗菌材料等領(lǐng)域[1]。電化學技術(shù)作為研究電技術(shù)和化學反應相互關(guān)系的學科,是銀基材料中銀回收精煉和循環(huán)利用的主要方法,同樣在銀基粉末材料制備中占有重要地位,其生產(chǎn)規(guī)模在物理化學方法中僅次于還原方法[2]。本文通過總結(jié)電化學技術(shù)在銀基材料提純方向和粉體制備方向的應用進展,為銀基材料制備過程電化學工藝優(yōu)化提供指導。

        1 電化學技術(shù)提純銀

        電化學技術(shù)提純銀的過程包括電解法和電沉積法兩種。

        電解法為氧化還原過程,即Ag在陽極氧化為Ag+、Ag+在陰極還原為Ag的全過程[3],多用于二次含銀物料鑄錠精煉后提純。電解過程中陽極反應過程為:

        Ag→Ag++e-

        陰極反應過程為:

        Ag++e-→Ag

        電沉積法為還原過程,即Ag+在陰極還原為Ag的過程:

        Ag++e-→Ag

        多用于含銀溶液中銀的回收及提純。

        圖1和圖2分別為電解過程原理示意圖和電沉積過程原理示意圖。

        圖1 電解過程原理示意圖

        圖2 電沉積過程原理示意圖

        1.1 電解法

        電解法的原理是利用不同金屬電極電位的不同,達到不同金屬之間的相互分離,所得金屬純度高,不會引入新的雜質(zhì)。傳統(tǒng)的電解工藝主要采用稀HNO3和AgNO3混合溶液作為電解液,陽極板為含銀物料熔煉、除雜、鑄錠后所得陽極銀板,陰極板為不銹鋼板或鈦板。隨著銀電解技術(shù)研究的不斷深入,提高電解效率和電解銀粉純度逐漸成為研究的熱點,集中于高電流密度技術(shù)和無銅電解技術(shù)的開發(fā)和應用。

        向銀電解液中添加Cu2+能夠增強電解液的導電性能,減少濃差極化,改善電解銀粉晶體結(jié)構(gòu)[4]。但是,少量Cu會在陰極板上析出,并因清洗不徹底導致電解銀粉純度不達標。王日[4]等研究開發(fā)了無銅體系電解技術(shù),通過向電解液中添加試劑A和B,能夠明顯改善電解液導電性能、電解銀粉析出性能,電流效率可提高6.5%。

        朱勇[5]等開發(fā)出無Cu2+高電流密度銀電解集成技術(shù),通過添加KNO3和K2SO4,有效解決了傳統(tǒng)電解工藝中Cu含量偏高和電流效率低的難題,電解銀粉質(zhì)量符合IC-Ag 99.99%含量要求。

        電解液凈化技術(shù)作為銀電解過程質(zhì)量控制的重要方法,同樣值得關(guān)注和研究。張選冬[6]等綜述了銀電解液凈化除雜技術(shù),包括硝酸鹽熔融分解法、水解沉淀法、銅置換法、濃縮結(jié)晶法、氯化銀沉淀法和旋流電解法等。其中,氧化銀沉淀法不引入新雜質(zhì)、操作簡單、工藝過程易控,能夠有效實現(xiàn)Ag+與雜質(zhì)金屬離子分離,是一種值得推廣的銀電解液凈化除雜技術(shù)。

        1.2 電沉積法

        電沉積法主要用于含銀溶液中銀的回收和廢電解液中銀的回收。譚明亮[7]等研究了采用電沉積法回收銀電解液的工藝,具有操作簡單、收率高、成本低、電解銀粉純度高等優(yōu)點,銀回收率大于99%,電解銀粉純度達到IC-Ag 99.99%要求。

        劉發(fā)存[8]等采用旋流電解技術(shù)回收電解液中的銀,通過高速液流消除濃差極化對電解過程的影響,能夠?qū)Φ蜐舛取⒏唠s質(zhì)含量的電解液進行有效處理。

        1.3 超高純銀的制備

        通過電化學技術(shù)處理和電解液凈化除雜,可進一步將國標1#銀純度(99.99%)提高至5N、6N。

        劉丹[9]等增加使用201、D301弱堿性陰離子樹脂對電解液進行凈化除雜操作,并控制電解液銀含量為500~540 g/L、電流密度為600~1000 A/m2、電解溫度為30~40℃、同極極間距為10cm,成功制備出總雜質(zhì)含量低于1×10-6的6N超高純銀。

        圖3 超高純銀(6N)制備流程圖

        2 電化學技術(shù)制備超細銀粉

        超細銀粉具有良好的導電性、化學穩(wěn)定性以及高塑性、高表面能等特點,廣泛應用于電子、光學、電磁屏蔽、生物醫(yī)療和光伏發(fā)電等領(lǐng)域,其制備方法包括噴霧熱分解法、電解法、超聲化學法、微乳液法、液相化學還原法等[10]。電解法制備超細銀粉具有原料要求低、成本低、工藝簡短、設備簡單、銀粉純度高且粒徑均勻可控等優(yōu)點,尤其是可以通過控制電流密度的大小來調(diào)節(jié)銀粉粒徑的大小[11]。采用電解法,能夠可控制備枝狀、球狀、片狀、棒狀、納米線等不同微觀形貌的超細銀粉。

        2.1 枝狀銀粉

        任同興[11]以含雜質(zhì)銀為原料、稀HNO3和AgNO3混合溶液體系為電解液,采用恒電流電解方法直接制備出高純度枝狀銀粉,晶粒尺寸為56.4 nm,并具體探討了電解液濃度、電解液溫度、沉積電位及添加劑等因素對電解銀粉顆粒尺寸的影響。

        圖4 任同興采用電解法制備銀粉流程圖

        廖學紅[12]等在超聲條件下采用檸檬酸體系和鉑絲-鉑片雙電極系統(tǒng),于10 mA電流下電解25 min,制備出粒徑為15~20 nm的枝狀銀粉,同時研究了配位劑種類和結(jié)構(gòu)對納米銀微觀形貌的影響。

        2.2 球狀銀粉

        李秋紅[13]等采用電化學方法在水相體系中制備出粒徑可控的球狀銀納米粒子,選擇十二烷基苯磺酸鈉作為穩(wěn)定劑,采用旋轉(zhuǎn)電極系統(tǒng),控制電解時間為15 min、旋轉(zhuǎn)速度為1500 r/min、電解電流為10 mA,制備得到顆粒粒徑為20~40 nm的銀納米溶膠,并可以在室溫條件下穩(wěn)定存放3天。

        廖學紅[12]等同樣在超聲條件下,采用半胱氨酸體系體系和鉑絲-鉑片雙電極系統(tǒng),于10 mA電流下電解25 min,制備出平均粒徑為20 nm的單分散球狀銀粉。

        Khaydarov[14]等使用銀片作陽極、陰極,電解時陽極銀片失去電子,變?yōu)殂y離子作銀源,PVP作穩(wěn)定劑,制備出粒徑為2~20 nm的類球形銀膠體懸浮液。

        徐光年[15]等采用兩個高純銀片作電極,以去離子水為電解液、PVP為輔助電解質(zhì)和穩(wěn)定劑,通過電解法制備出高純納米銀溶膠。實驗結(jié)果表明:當PVP質(zhì)量分數(shù)為5%、電解時間為150 min、電流密度為1~2 mA/cm2時,制備得到粒徑1~3 nm、單分散的球狀銀溶膠,銀粒子濃度達到130 μg/g,并且穩(wěn)定性良好,在室溫條件下避光存放6個月無可見變化。

        2.3 片狀銀粉

        王華[16]等開發(fā)了一種新穎的片狀銀粉電化學可控制備方法,首先采用液相還原法在硼氫化鈉、檸檬酸鈉體系下制備出晶種,再采用晶種輔助的電化學技術(shù)(躍階電流為0.3 mA)制備出邊長為250 nm~2.2 μm、厚度為15~40 nm的單分散銀三角納米片。

        圖5 王華采用新型電解法制備片粉流程圖

        Liu[17]等首先制備出5~30 nm球形晶種,再采用電沉積法于5 μA/cm2電流密度下,以石墨片為陽極、晶種包覆的ITO襯底為陰極,并以硝酸銀為銀源,在ITO襯底上使用PVP誘導生成垂直交叉的銀納米片。

        2.4 銀納米線

        Pang[18]等以氧化鋁膜為模板、噴金氧化鋁模板為工作電極、石墨為對電極,并以硝酸銀為銀源,采用電化學技術(shù)制備出直徑約90 nm的銀納米線。

        Kazeminezhad[19]等以聚碳酸酯為模板,采用電沉積法制備出平均直徑約80 nm、長度約5 μm的高長徑比銀納米線。

        3 結(jié)論與展望

        本文總結(jié)了應用電化學技術(shù)提純銀和制備超細銀粉的現(xiàn)狀,分析了電解法和電沉積法的原理,指出高電流密度技術(shù)和無銅電解技術(shù)有利于提高電解效率和電解銀粉純度,將會逐步成為研究和應用的重要方向。同時,應用電化學技術(shù)能夠可控制備枝狀、球狀、片狀、納米線等不同微觀形貌的超細銀粉,隨著理論研究的深入和工藝控制水平的提高,應用電化學技術(shù)定向制備目標參數(shù)的超細銀粉將是下階段研究的重點。

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        Application progress of electrochemical technology in preparation of silver-based materials

        Chang Yichuan, Li Daiying, Cheng Geng, Ruan Runli, Tan Zhiwei

        (Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

        TQ15

        A

        1003-4862(2022)10-0173-04

        2022-07-14

        常意川(1993-),男,工程師。研究方向:貴金屬粉體材料和貴金屬精煉。E-mail:changyichuan2015@163.com

        2022年黃岡市本級科技創(chuàng)新專項重點Ⅱ類項目(高可靠性銀基電接觸材料研制及產(chǎn)業(yè)化ZDXM20220021)

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