Кинетика нуклеации при электроосаждении цинка и никеля из хлоридно-аммонийных электролитов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Цинк-никелевые покрытия на основе гамма-фазы, обогащенной цинком, характеризуются максимальной коррозионной стойкостью и являются основой для получения электрокаталитически высокоактивного нанопористого никеля методом селективного растворения. Электроосаждение сплавов Zn–Ni является наиболее распространенным способом их получения и протекает по механизму аномального соосаждения, при котором скорость выделения электроположительного компонента (никеля) ниже, чем электроотрицательного (цинка). Для получения покрытий с определенными морфологией, химическим и фазовым составом необходимо знание кинетических закономерностей катодного осаждения Zn, Ni-сплава на этапе гетерогенного зародышеобразования, установление которых является целью данной работы. Кинетику процесса катодного соосаждения цинка и никеля изучали в неперемешиваемых хлоридно-аммонийных электролитах с применением методов вольтамперо- и хроноамперометрии. Механизм гетерогенной нуклеации при электроосаждении цинка и никеля определен в рамках подхода Паломара–Пардаве, учитывающего вклады параллельной реакции восстановления водорода и заряжения двойного электрического слоя в общий катодный ток, а для цинк-никелевых покрытий – с использованием модели Шарифкера для электроосаждения бинарного сплава, дополнительно модифицированной с учетом экспериментально определенной зависимости состава цинк-никелевых покрытий от времени на нуклеационном этапе формирования катодного осадка. С применением метода рентгеноспектрального анализа подтвержден аномальный характер осаждения покрытий Zn–Ni, соотношение атомных долей Ni/Zn в которых оказалось ниже отношения концентраций ионов Ni2+/Zn2+ в электролите. Установлено, что как при электроосаждении цинка и никеля из индивидуальных растворов, так и при их аномальном соосаждении константа скорости зародышеобразования увеличивается с ростом катодного потенциала, но в среднем не превышает 3 с–1, что свидетельствует о реализации преимущественно механизма прогрессирующей нуклеации. Рост новой фазы независимо от химического состава получаемого осадка лимитируется 3D-диффузией ионов цинка и никеля к поверхности электрода. Плотность центров зародышеобразования слабо зависит от потенциала осаждения, снижаясь при переходе от индивидуальных металлов к покрытиям цинк-никель. Вклад побочной реакции выделения водорода ожидаемо является максимальным в случае электрокристаллизации никеля благодаря его высокой каталитической активности и снижается при переходе к сплавам Zn–Ni и цинку, увеличиваясь при смещении потенциала осаждения в катодную сторону, что согласуется со значениями выхода по току.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. Е. Тинаева

Воронежский государственный университет

Email: ok@chem.vsu.ru
Россия, Воронеж

О. А. Козадеров

Воронежский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: ok@chem.vsu.ru
Россия, Воронеж

Список литературы

  1. Lotfi, N., Aliofkhazraei, M., Rahmani, H., and Barati Darband Gh., Zinc-nickel alloy electrodeposition: characterization, properties, multilayers and composites, Prot. Met. Phys. Chem. Surf., 2018, vol. 54, р. 1102. https://doi.org/10.1134/S2070205118060187
  2. Rashmi, D., Pavithra, G.P., Praveen, B.M. Devapal, D., Nayana, K.O., and Nagaraju, G., Electrodeposition of Zn–Ni monolithic coatings, characterization, and corrosion analysis, J. Fail. Anal. and Preven., 2020, vol. 20, р. 513. https://doi.org/10.1007/s11668-020-00848-3
  3. Anwar, Sh., Zhang, Y., and Khan, F., Electrochemical behaviour and analysis of Zn–Ni alloy anti-corrosive coatings deposited from citrate baths, IOP Conference Series: Mater. Sci. and Engineering, 2018, vol. 458, р. 012005. https://doi.org/10.1088/1757-899X/458/1/012005
  4. Feng, Zh. Li, Q., Zhang, J., Yang, P., Song, H., and An, M., Electrodeposition of nanocrystalline Zn–Ni coatings with single gamma phase from an alkaline bath, Surf. Coat. Tech., 2015, vol. 270. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.03.020
  5. Benballa, M., Nils, L., Sarret, M., and Müller, C., Zinc–nickel codeposition in ammonium baths, Surf. Coat. Tech., 2000, vol. 123, р. 55. https://doi.org/10.1016/S0257-8972(99)00397-7
  6. Barceló, G., García-Lecina, E., Sarret, M., Müller, C., and Pregonas, J., Characterization of zinc–nickel alloys obtained from an industrial chloride bath, J. Appl. Electrochem., 1998, vol. 28, р.1113. https://doi.org/10.1023/A:1003461109203
  7. Hosseini, M.G., Abdolmaleki, M., and Ashrafpoor, S., Preparation, characterization, and application of alkaline leached Ni/Zn–Ni binary coatings for electro-oxidation of methanol in alkaline solution, J. Appl. Electrochem., 2012, vol. 42, р. 153. https://doi.org/10.1007/s10800-012-0382-8
  8. Fukumizu, T., Kotani, F., Yoshida, A., and Katagiri, A., Electrochemical Formation of Porous Nickel in Zinc Chloride-Alkali Chloride Melts, J. Electrochem. Soc., 2006, vol. 153, p. C629. https://doi.org/10.1149/1.2216401
  9. Kaluzhina, S.A., Kozaderov, O.A., Marygina, Yu.I., and Protasova, I.V., Cathodic behavior of the dealloyed Ni-Zn coating in sodium hydroxide solution, Int. J. Corr. Scale Inhib., 2020, vol. 9, р. 334. https://doi.org/10.17675/2305-6894-2020-9-1-22
  10. Cai, J., Xu, J., Wang, J., Zhang, L., Zhou, H., Zhong, Y., Chen, D, Fan, H., Shao, H., Zhang, J., and Cao, Ch., Fabrication of three-dimensional nanoporous nickel films with tunable nanoporosity and their excellent electrocatalytic activities for hydrogen evolution reaction, Int. J. Hydrogen Energy, 2013, vol. 38, р. 934. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.10.084
  11. Barceló, G., García, J., Sarret, Müller, M.C., and Pregonas, J., Properties of Zn–Ni alloy deposits from ammonium baths, J. Appl. Electrochem., 1994, vol. 24, р. 1249. https://doi.org/10.1007/BF00249889
  12. Fratesi, R. and Roventi, G., Electrodeposition of zinc-nickel alloy coatings from a chloride bath containing NH4Cl, J. Appl. Electrochem., 1992, vol. 22, 657. https://doi.org/10.1007/BF01092615
  13. Elkhatabi, F., Sarret, M., and Müller, C., Chemical and phase compositions of zinc + nickel alloys determined by stripping techniques, J. Electroanal. Chem., 1996, vol. 404, р. 45. https://doi.org/10.1016/0022-0728(95)04359-4
  14. Byk, T., Gaevskaya, T.V., and Tsybulskaya, L., Effect of electrodeposition conditions on the composition, microstructure, and corrosion resistance of Zn–Ni alloy coatings, Surf. Coat. Tech., 2008, vol. 202, р. 5817. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.05.058
  15. Soleimangoli, F., Hosseini, A., Davoodi, A., Mokhtari, A., and Alishahi, M., Effect of NH4Cl on the microstructure, wettability and corrosion behavior of electrodeposited Ni Zn coatings with hierarchical nano/microstructure, Surf. Coat. Tech., 2020, vol. 394, р. 125825. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2020.125825
  16. Burlyaev, D.V., Tinaeva, A.E., Tinaeva, K.E., and Kozaderov, O.A., Electrodeposition of zinc–nickel coatings from glycine-containing ammonium-chloride electrolyte, Prot. Met. Phys. Chem. Surf., 2020, vol. 56, р. 552. https://doi.org/10.1134/S2070205120030077
  17. Kozaderov, O.A., Tinaeva, K.E., Tinaeva, A.E., and Burliaev, D.V., Cathodic deposition of zinc-nickel coatings from a dilute ammonium chloride electrolyte with a high glycine concentration, Condensed Matter and Interphases, 2020, vol. 22(3), р. 320. https://doi.org/10.17308/kcmf.2020.22/2962
  18. Brenner, A., Electrodeposition of alloys, vol. I, New York and London: Acad. Press, 1963, p. 84.
  19. Roventi, G., Fratesi, R., Guardia, R.D., and Barucca, G., Normal and anomalous codeposition of Zn–Ni alloys from chloride bath, J. Appl. Electrochem., 2000, vol. 30, p. 173. https://doi.org/10.1023/A:1003820423207
  20. Rodriguez-Torres, I., Valentin, G., and Lapicque, F., Electrodeposition of zinc–nickel alloys from ammonia-containing baths, J. Appl. Electrochem., 1999, vol. 29, p. 1035. https://doi.org/10.1023/A:1003610617785
  21. Lin, Y.P. and Selman, J.R., Electrodeposition of corrosion-resistance Ni–Zn alloy. I. Cyclic voltammetric study, J. Electrochem. Soc., 1993, vol. 140(5), p. 1299. http://dx.doi.org/10.1149/1.2220974
  22. Rizwan, R., Mehmood, M., Imran, M., Ahmad, J., Aslam, M., and Akhter, J., Deposition of nanocrystalline zinc-nickel alloys by D.C. plating in additive free chloride bath, Mater. Trans., 2007, vol. 48, p. 1558. https://doi.org/10.2320/matertrans.MER2007022
  23. Chang, B.-Y. and Park, S.-M., Relative contributions of Ni2+ and Zn2+ reduction currents to anomalous electrodeposition of Zn–Ni alloys, J. Electrochem. Soc., 2004, vol. 151(12), p. C786. https://doi.org/10.1149/1.1814032
  24. Müller, C., Sarret, M., and Benballa, M., Some peculiarities in the codeposition of zinc–nickel alloys, Electrochim. Acta, 2001, vol. 46, p. 2811. https://doi.org/10.1016/S0013-4686(01)00493-5
  25. Pinto, J., Quiroz, D., Delvasto, P., and Blanco, S., Characterization of a zinc-nickel alloy coating obtained from an electrolytic bath produced with spent batteries as raw materials, J. Phys. Conf. Ser., 2018, vol. 1119, p. 012005. https://doi.org/10.1088/1742–6596/1119/1/012005
  26. Zakiyya, H. and Kekesi, T., Potentiodynamic study of the effects of nickel on the electrodeposition of zinc from chloride media, Int. J. Eng. Manag. Sci., 2023, vol. 8, p. 15. https://doi.org/10.21791/IJEMS.2023.2.2
  27. Shtin, S.V., Gabidulin, V.V., and Yusupova, L.I., Study of the composition and structure of zinc-nickel coatings deposited from slightly acidic electrolytes on an iron sublayer, Bull. South Ural State Univer. Ser. Metallurgy, 2016, vol. 16(4), p. 147. http://dx.doi.org/10.14529/met160417
  28. Eliaz, N., Venkatakrishna, K., and Hegde, A., Electroplating and characterization of Zn–Ni, Zn–Co and Zn–Ni–Co alloys, Surf. Coat. Tech., 2010, vol. 205, p. 1969. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.08.077
  29. Rehim, S., Fouad, E., Wahab, S., and Hassan, H., Electroplating of zinc-nickel binary alloys from acetate baths, Electrochim. Acta, 1996, vol. 41, p. 1413. http://dx.doi.org/10.1016/0013-4686(95)00327-4
  30. Lichusina, S., Chodosovskaja, A., Sudavicius, A., Juškėnas, R., Bučinskienė, D., Selskis, A., and Juzeliunas, E., Cobalt-rich Zn–Co alloys: Electrochemical deposition, structure and corrosion resistance, Chemija, 2008, vol. 19, p. 25.
  31. Vasilache, T., Gutt, S., Sandu, I., Vasilache, V., Gutt, G., Risca, I.-M., and Sandu, A.V., Electrochemical Mechanism of Nickel and Zinc-Nickel Alloy Electrodeposition, Recent Patents on Corrosion Sci., 2010, vol. 2, p. 1. http://dx.doi.org/10.2174/1877610801002010001
  32. Hegde, A., Venkatakrishna, K., and Eliaz, N., Electrodeposition of Zn–Ni, Zn–Fe and Zn–Ni–Fe alloys, Surf. Coat. Tech., 2010, vol. 205, p. 2031. http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2010.08.102
  33. Fashu, S. and Khan, R., Recent work on electrochemical deposition of Zn–Ni (–X) alloys for corrosion protection of steel, Anti-Corrosion Methods and Materials, 2018, vol. 66, 16 p. http://dx.doi.org/10.1108/ACMM-06-2018-1957
  34. Thangaraj, V. and Hegde, A., Electrodeposition and compositional behaviour of Zn–Ni alloy, Ind. J. Chem. Tech., 2007, vol. 14, p. 246.
  35. Scharifker, B. and Mostany, J., Three-dimensional nucleation with diffusion controlled growth: Part I. Number density of active sites and nucleation rates per site, J. Electroanal. Chem., 1984, vol. 177, p. 13. http://dx.doi.org/10.1016/0022-0728(84)80207-7
  36. Scharifker, B. and Hills, G., Theoretical and experimental studies of multiple nucleation, Electrochim. Acta, 1983, vol. 28, p. 879. http://dx.doi.org/10.1016/0013-4686(83)85163-9
  37. Scharifker, B., Mostany, J., Palomar‐Pardavé, M., and Gonzalez, I., On the theory of the potentiostatic current transient for diffusion-controlled three-dimensional electrocrystallization processes, J. Electrochem. Soc., 1999, vol. 146, p. 1005. http://dx.doi.org/10.1149/1.1391713
  38. Díaz-Morales, O., Mostany, J., Borrás, C., and Scharifker, B., Current transient study of the kinetics of nucleation and diffusion-controlled growth of bimetallic phases, J. Solid State Electrochem., 2013, vol. 17, p. 345. https://doi.org/10.1007/s10008-012-1881-6
  39. Palomar-Pardavé, M., Scharifker, B., Arce, E.M., and Romero-Romo, M., Nucleation and diffusion-controlled growth of electroactive centers: Reduction of protons during cobalt electrodeposition, Electrochim. Acta, 2005, vol. 50(24), p. 4736. http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2005.03.004
  40. Galus, Z., Fundamentals of electrochemical analysis, Ellis Horwood, New York, 1976, p. 313.
  41. Fukushima, H., Akiyama, T., Higashi, K., Kammel, R., and Karimkhani, M., Electrodeposition behavior of Zn–Ni alloys from sulfate baths over a wide range of current density, Metall, 1988, vol. 42, p. 242.
  42. Ishihara, M., Yumoto, H., Akashi, K., and Kamei, K., Zinc-nickel alloy whiskers electrodeposited from a sulfate bath, Mater. Sci. and Engineering B-advanced Functional Solid-state Mater., 1996, vol. 38, p. 150. http://dx.doi.org/10.1016/0921-5107(95)01429-2
  43. Chouchane, S., Microstructural analysis of low Ni content Zn alloy electrodeposited under applied magnetic field, Surf. Coat. Tech., 2007, vol. 201(14), p. 6212. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2006.11.015
  44. Ghaziof, S., Kilmartin, P.A., and Gao, W., Electrochemical studies of sol-enhanced Zn–Ni–Al2O3 composite and Zn–Ni alloy coatings, J. Electroanal. Chem., 2015, vol. 755, p. 63. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.07.041
  45. Pires, M., The need for a more comprehensive model for the current transient in anomalous electrochemical deposition of metal alloys exemplified by Ni-Fe co-deposition, Portugaliae Electrochim. Acta, 2016, vol. 34, p. 295. https://doi.org/10.4152/pea.201605295
  46. Aldana-González, J., Sampayo-Garrido, A., Oca-Yemha, M., Sánchez, W., Ramírez-Silva, M., Arce-Estrada, E., Romero-Romo, M., and Palomar-Pardavé, M., Electrochemical nucleation and growth of Mn and Mn-Zn Alloy from leached liquors of spent alkaline batteries using a deep eutectic solvent, J. Electrochem. Soc., 2019, vol. 166, p. D199. https://doi.org/10.1149/2.0761906jes
  47. Barreiros, P. and Pires, M., Analysis of the electrodeposition process of Fe-Mn films from sulfate electrolytes, Mater. Res. Express, 2019, vol. 7. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab59e8
  48. Hölzle, M., Retter, U., and Kolb, D., The kinetics of structural changes in Cu adlayers on Au(111), J. Electroanal. Chem., 1994, vol. 371, p. 101. https://doi.org/10.1016/0022-0728(93)03235-H
  49. Garfias Garcia, E., Romero-Romo, M., María, T., Ramírez-Silva, and Palomar-Pardavé, M., Overpotential nucleation and growth of copper onto polycrystalline and single crystal gold electrodes, Int. J. Electrochem. Sci., 2012, vol. 7, p. 3102. https://doi.org/10.1016/S1452-3981(23)13938-1
  50. Altimari, P., Schiavi, P.G., Rubino, A., and Pagnanelli, F., Electrodeposition of cobalt nanoparticles: an analysis of the mechanisms behind the deviation from three-dimensional diffusion-control, J. Electroanal. Chem., 2019, vol. 851, p. 113413. http://dx.doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.113413
  51. Manh, T.L., Arce-Estrada, E.M., Mejia-Caballero, I., Rodriguez-Clemente, E., Sanchez, W., Aldana-Gonzalez, J., Lartundo-Rojas, L., Romero-Romo, M., and Palomar-Pardave, M., Iron electrodeposition from Fe(II) ions dissolved in a choline chloride: urea eutectic mixture, J. Electrochem. Soc., 2018, vol. 165(16), p. D808. http://dx.doi.org/10.1149/2.0561816jes
  52. Rezaei, M., Ghorbani, M., and Dolati, A., Electrochemical investigation of electrodeposited Fe–Pd alloy thin films, Electrochim. Acta, 2010, vol. 56, p. 483. http://dx.doi.org/10.1016/j.electacta.2010.09.022
  53. Scharifker, B. and Mostany, J., Nucleation and growth of new phases on electrode surfaces. In Developments in Electrochemistry: Science Inspired by Martin Fleischmann. Chapter: 4; Pletcher, D., Tian, Z.-Q., Williams, D.E., Eds.; John Wiley & Sons, Ltd.: Hoboken, NJ, USA, 2014. https://doi.org/10.1002/9781118694404.ch4
  54. Trejo, G., Ortega, R., and Meas, Y., Nucleation and growth of zinc from chloride concentrated solutions, J. Electrochem. Soc., 1998, vol. 145(12), 4090. https://doi.org/10.1149/1.1838919
  55. Raeissi, K., Saatchi, A., and Golozar, M.A., Nucleation and growth of zinc electrodeposited onto electropolished and mechanically polished steel surfaces, Transactions of the IMF, 2003, vol. 81(6), p. 186. https://doi.org/10.1080/00202967.2003.11871537
  56. Asseli, R., Benaicha, M., Derbal, S., Allam, M., and Dilmi, O., Electrochemical nucleation and growth of Zn–Ni alloys from chloride citrate-based electrolyte, J. Electroanal. Chem., 2019, vol. 847, p. 1. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2019.113261
  57. Song, Y., Tang, J., Hu, J., Liu, Sh., Fu, Y., and Ji, X., Insights into electrodeposition process of nickel from ammonium chloride media with speciation analysis and in situ synchrotron radiation X-ray imaging, Electrochim. Acta, 2016, vol. 210. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.06.033
  58. Patil, S.F. and Nath, M., Diffusivity of zinc ions in aqueous alkali-metal chlorides, J. Chem. Eng. Data, 1995, vol. 40(1), p. 40. https://doi.org/10.1021/je00017a011

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. (а) Катодные вольтамперограммы, полученные на Au-электроде в 0.08 М NiCl2 + 0.04 M ZnCl2 + 2 М NH4Cl (1–5), 0.04 M ZnCl2 + 2 М NH4Cl (3ʹ) и 0.08 М NiCl2 + 2 М NH4Cl (3ʺ) при разных скоростях сканирования потенциала: 2 (1), 5 (2), 10 (3, 3ʹ, 3ʺ), 25 (4), 50 (5) мВ/с. (б) Зависимость плотности тока максимума от квадратного корня из скорости сканирования потенциала. (в) Зависимость потенциала максимума от логарифма скорости сканирования потенциала.

Скачать (122KB)
Метаданные
3. Рис. 2. (а) Катодные хроноамперограммы, полученные на Au-электроде в 0.08 М NiCl2 + 0.04 M ZnCl2 + 2 М NH4Cl при разных потенциалах осаждения Еdep = –860 (1), –880 (2), –900 (3), –1000 (4) мВ. Пустые маркеры – экспериментальные данные, сплошные линии – результат нелинейного регрессионного анализа по формуле (15). (б) Хроноамперограммы, перестроенные в коттрелевых координатах.

Скачать (124KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Катодные хроноамперограммы, полученные на Au-электроде в 0.04 M ZnCl2 + 2 М NH4Cl (а) и 0.08 M NiCl2 + 2 М NH4Cl (б) при потенциалах осаждения Е = –860 (1), –880 (2), –900 (3), –1000 (4) мВ. Пустые маркеры – экспериментальные данные, сплошные линии – результат нелинейного регрессионного анализа по формуле (14).

Скачать (128KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение атомной доли никеля в покрытии, осажденном из 0.08 M NiCl2 + 0.04 M ZnCl2 + + 2 М NH4Cl при потенциалах Еdep = –860 (), –880 (), –900 (), –1000 () мВ. Пунктир – результат нелинейного регрессионного анализа по формуле (1). Уровень CRL (composition reference line) соответствует атомной доле никеля в случае нормального осаждения, когда соотношение концентраций металлов в сплаве и ионов в растворе совпадает .

Скачать (76KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Парциальные токовые транзиенты электрокристаллизации (1), реакции восстановления водорода (2) и заряжения двойного электрического слоя (3), полученные по результатам нелинейного регрессионного анализа экспериментальных хроноамперограмм на Au-электроде в 0.08 М NiCl2 + 0.04 M ZnCl2 + 2 М NH4Cl (а), 0.04 M ZnCl2 + 2 М NH4Cl (б) и 0.08 М NiCl2 + 2 М NH4Cl (в) при потенциале Е = –880 мВ.

Скачать (114KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Зависимости константы скорости реакции восстановления водорода (а), константы скорости нуклеационного процесса (б) и плотности центров зародышеобразования (в) от катодного потенциала, найденные по результатам нелинейного регрессионного анализа экспериментальных хроноамперограмм на Au-электроде, полученных в 0.04 M ZnCl2 + 2 М NH4Cl (1), 0.08 М NiCl2 + 2 М NH4Cl (2) и 0.08 М NiCl2 + 0.04 M ZnCl2 + 2 М NH4Cl (3).

Скачать (399KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024