CN102362010A - 从包括废的工业电解质的工业电解质中获得铜粉末和铜纳米粉末的方法 - Google Patents

Abstract

一种通过电化学沉积使金属铜沉积在阴极上，从而从工业电解质(包括废的工业电解质)获得铜粉末和铜纳米粉末的方法，该方法在于：使用由金、铂或不锈钢丝或箔制成的可移动的或静止的超微电极、或超微电极阵列作为阴极，使用金属铜作为阳极，采用接近或者达到电流电压曲线(在该曲线上，电流电位的平台范围是-0.2V至-1V)的平台的阴极电位值，在电流方向改变或不改变的条件下，采用恒电位脉冲电解，该过程在18℃至60℃的温度下进行，并且所述电解持续0.005秒至60秒。使用所述方法能够从废的工业电解质和来自铜工业和电镀厂的废水获得纳米粉末和粉末，而无需进行额外处理，该粉末的特征在于颗粒结构和尺寸的重现性，并且纯度为99％+至99.999％。

Description

从包括废的工业电解质的工业电解质中获得铜粉末和铜纳米粉末的方法

本发明的目的是提供从工业电解质获得铜粉末的方法，所述工业电解质包括为电镀处理、化学工业、矿业、和冶炼业的废产物的电解质。铜的电精制和电镀处理所产生的废水可具有非常广泛的应用领域。

纳米粉末是价值非常高的产品，它们的制备和应用是重要且正在发展的领域。

铜粉末和铜纳米粉末可作为添加剂用于聚合物、润滑剂、染料、抗菌剂和微处理器连接件。铜纳米粉末或其合金可用于微电子器件，或者作为吸收剂用于放射性废弃物的纯化，以及作为催化剂用于燃料电池。

纳米粉末可以为小于1微米(至少一个线性维度小于1微米)的金属颗粒、金属氧化物、或者有机复合物。考虑到用于不同的材料工程领域中的材料所要满足的要求，制备具有良好受限的结构和受控的粒度的纳米粉末具有重要的意义。

目前使用的获得铜纳米粉末的方法之一是电化学还原法(电沉积)。在其他专利中提出了电解制备纳米结构的箔和沉积物的方法。

例如，在专利CN 1710737/2005中，在以下条件下，在直流电解过程中获得了由大小为约150nm的铜纳米晶体构成的铜箔，该条件为：金属阴极，温度为25℃至65℃，电解液流速为0.5-5.0m/s，阴极电流密度为0.5-5.0A/cm²。电解液由以下添加物组成：1-15mg/l硫脲、1-15mg/l动物胶、0.1-5.0mg/l氯离子以及其他组分。

专利US 2006/0021878公开了一种电解方法。其公开的方法用于获得硬度大且导电性良好的铜，该方法在于脉冲电解。该方法在以下条件下进行：pH为0.5至0.1；电解液为半导体纯度的硫酸铜；金属阴极、阳极为99.99％纯度的铜，温度为15℃至30℃；阴极脉冲时间为10ms至50ms；电流开关时间为1秒至3秒；阴极电流密度为40mA/cm²至100mA/cm²。利用磁力搅拌器混合溶液，并且该溶液由以下添加物组成：0.02ml/l至0.2ml/l的动物胶和0.2ml/l至1ml/l的NaCl。

从上文所提及的获得铜纳米粉末的电化学方法的现有技术来看，这些方法需要消耗高额费用制备底物(溶液、纯度合适的试剂、还原剂和其他试剂)。这些过程如此复杂和昂贵，使得纳米粉末的市场价格非常高。

确保从具有低浓度的沉积元素的工业电解质回收金属的技术可行性和经济可行性的基础条件之一是，为电沉积离子的电极提供足够的传质速率。这样便提高了纳米粉末制备过程的速率和效率。

本发明解决了必须使用具有合适的纯度和浓度的电解液的问题，还解决了必须使用额外的电解质和其他物质的问题。已经出乎意料地发现，如果利用超微电极，在电流方向改变和不改变的条件下，使工业电解质溶液(包括废水)经历恒电位脉冲电解，则能够从该工业电解质溶液获得铜粉末和铜纳米粉末。

根据本发明的方法通过使金属铜电沉积在阴极上，从而从工业电解质和废水获得铜粉末和铜纳米粉末，该方法在于：用由金、铂或不锈钢丝或箔制成的可移动或静止的超微电极、或超微电极阵列作为阴极，用金属铜作为阳极，采用接近或者达到图1所示的电流电压曲线(在该曲线上，电流电位的平台(plateau)范围是-0.2V至-1V)的平台的阴极电位值，在电流方向改变或不改变的条件下，对铜离子浓度大于0.01g dm^-3的电解质溶液进行恒电位脉冲电解，该过程在18℃至60℃的温度下进行，并且该电解持续0.005秒至60秒。

本发明的方法的优点在于，电解质溶液经历如图2中a)至d)所示的恒电位电解，其中：

-图2a)显示了在0.005秒至60秒的时间t_k内，相对于铜电极，阴极电位E_k在-0.2V至-1.0V的范围内的脉冲，

-图2b)显示了在0.005秒至60秒的时间t_k内，相对于铜电极，阴极电位E_k在-0.2V至-1.0V的范围内的脉冲，以及之后在比时间t_k短至少10％的时间t_a1内，相对于铜电极，阳极电位E_a1在0.0V至+1.0V的范围内的脉冲，

-图2c)显示了在时间t_a0≤t_k内，相对于铜电极，阳极电位E_a0在0.0V至+1.0V的范围内的脉冲，以及之后在0.005秒至60秒的时间t_k内，相对于铜电极，阴极电位E_k在-0.2V至-1.0V的范围内的脉冲，

-图2d)显示了在时间t_a0≤t_k内，相对于铜电极，阳极电位E_a0在0.0V至+1.0V的范围内的脉冲，以及之后在0.005秒至60秒的时间t_k内，相对于铜电极，阴极电位E_k在-0.2V至-1.0V的范围内的脉冲，以及随后在比时间t_k短至少10％的时间t_a1内，阳极电位E_a1的脉冲。

通过离子向电极的扩散来控制阴极的铜还原过程，这在所述方法中通过以下方式来实现：利用超微电极或者超微电极阵列，并且在接近或者达到电流电压曲线(图1)的平台的阴极电位下进行恒电位电解。可以利用计时电流法来研究所述电解过程，该计时电流法是在对电极施加恒定电位下，测量作为时间函数的电流。

用于所述方法的超微电极金属丝的直径可以为1μm至100μm。超微电极阵列可以具有为1·10^-6cm²至10000cm²的面积。板状的超微电极阵列可以具有为1cm²至10000cm²的面积。

当使用可移动的电极时，它们保留在电解液中的时间与一个电解周期所经历的时间相等。当使用静止的电极时，它们保留在电解液中的时间与一个电解周期所经历的时间相等。在每个周期之后，从溶液中取出电极，并且将新的电极浸入电解质溶液。

可以利用惰性气体射流或者液体射流，将电解产物(即粉末或者纳米粉末)从电极表面移除，或者可以利用由(例如)特氟隆(Teflon)制成的具有锋利边缘的收集装置，机械地将电解产物从电极表面移除。

利用所述电化学方法，可以从包括废的工业电解质的工业电解质溶液和来自铜工业和电镀厂的废水获得特征为颗粒结构和尺寸具有重现性的铜粉末和铜纳米粉末。利用所述方法，可以从废的工业电解质和废水获得纯度为99％+至99.999％的铜纳米粉末，而无需进行额外的处理。这能够用显著降低的成本，以工业规模获得纳米粉末。利用所述方法，可以根据电极的大小、制成电极所用的金属、进行电解的条件、以及尤其是电解的种类(图2中的a-d项)、温度和电解液中的铜浓度，而获得形状、结构和直径不同的粉末或者纳米粉末。

在实施例中示出了利用所述方法获得铜纳米粉末和铜粉末的方法。

实施例I

将直径为10μm的铂丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有铜的电精制过程中使用的工业电解液，该电解液由46g dm^-3的Cu、170g至200g dm^-3的H₂SO₄、Ni、As、Fe(＞1000mg dm^-3)、Cd、Co、Bi、Ca、Mg、Pb、Sb(1mg dm^-3至1000mg dm^-3)、Ag、Li、Mn、Pd、Rh(＜1mg dm^-3)、以及动物胶和硫脲(＜1mg dm^-3)组成。将电极连接至测量装置，该测量装置是借助于BNC连接器与个人电脑(PC)(装有Eco Chemie公司的GPES软件)联机工作的Autolab GSTST30恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a0＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.4V    t_k＝0.1秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为长约250nm、宽约50nm至70nm的管状。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线，这显示了所得产物的纯度。

实施例II

将直径为10μm的铂丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有铜的电精制过程中使用的工业电解液，该电解液的组成在实施例I中给出。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a0＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.4V    t_k＝0.125秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为长约600nm、宽约60nm至120nm的管状。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例III

将直径为100μm的铂丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有铜的电精制过程中使用的工业电解液，该电解液的组成在实施例I中给出。将电极连接至测量装置，所述测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a0＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.4V    t_k＝0.1秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为粒径约200nm至600nm的大晶粒的形状。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例IV

将直径为10μm的金丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、并且厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有铜的电精制过程中使用的工业电解液，该电解液的组成在实施例I中给出。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a0＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.4V    t_k＝0.125秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为粒径约150nm的大晶粒的形状。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例V

将直径为40μm的金丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有铜的电精制过程中使用的工业电解液，该电解液的组成在实施例I中给出。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a0＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.4V    t_k＝0.5秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为直径约250nm至300nm的球状。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例VI

将直径为40μm的金丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有铜的电精制过程中使用的工业电解液，该电解液的组成在实施例I中给出。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a0＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.5V    t_k＝0.1秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为直径约250nm至300nm的球状。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例VII

将直径为25μm的不锈钢丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有铜的电精制过程中使用的工业电解液，该电解液的组成在实施例I中给出。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.4V    t_k＝0.05秒，以及t＝0.075秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为球状。t＝0.05秒时粒径为约300nm，t＝0.075秒时粒径为约400nm。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例VIII

将直径为25μm的不锈钢丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有铜的电精制过程中使用的工业电解液，该电解液的组成在实施例I中给出。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.45V  t_k＝0.05秒，以及t＝0.075秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为球状。t＝0.05秒时粒径为约200nm，t＝0.075秒时粒径为约550nm。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例IX

将直径为25μm的不锈钢丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极浸入如实施例I那样的Cu含量为46g dm^-3的工业电解液中，该工业电解液置于恒温至25℃的电化学池中。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.5V   t_k＝0.05秒，以及t＝0.075秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为球状。t＝0.05秒时粒径为约600nm至700nm，t＝0.075秒时粒径为约700nm至800nm。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例X

将直径为25μm的不锈钢丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有铜的电精制过程中使用的工业电解液，该电解液的组成在实施例I中给出。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_a＝0.6V    t_a0＝0.1秒

E_k＝-0.4V，以及E_k＝-0.45V  t_k＝0.1秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为具有独特结构的球状。粒径在200nm至1200nm的范围内。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例XI

阴极是面积为约1cm²的不锈钢板，阳极是面积为3cm²、厚度为0.1cm的铜板，将该阴极和该阳极浸入工业电解液中，在实施例I中给出了该电解液的组成。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_k＝-0.4V，t_k＝1秒，t_k＝15秒，t_k＝30秒，t_k＝60秒。

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为具有独特结构的球状。所得团聚体的大小分别为：在60秒、30秒、15秒、1秒的时间分别为约5μm至10μm、2.5μm至3μm、1μm至2μm、0.2μm至0.5μm。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

实施例XII

将直径为25μm的不锈钢丝工作超微电极作为阴极，面积为0.3cm²、厚度为0.1cm的铜板作为参比电极(阳极)，将该阴极和该阳极置于恒温至25℃的电化学池中。该池装有在铜的电精制过程中使用过的工业电解液，该电解液由0.189g dm^-3的Cu、170g至200g dm^-3的H₂SO₄、Ni、As、Fe(＞1000mg dm^-3)、Cd、Co、Bi、Ca、Mg、Pb、Sb(1mg dm^-3至1000mg dm^-3)、Ag、Li、Mn、Pd、Rh(＜1mg dm^-3)、以及动物胶和硫脲组成。将电极连接至测量装置，该测量装置是与装有特定软件的个人电脑(PC)联机工作的恒电位器。

工艺参数如下所示：

E_k＝-0.4V，t_k＝0.5秒

在将铜电化学沉积至所述电极上之后，利用扫描电子显微镜来研究所沉积的粉末的结构和尺寸，已经表明，所得沉积物为具有独特结构的球状。粒径在350nm至2.5μm的范围内。基于能量色散光谱(EDS)分析，已经表明，只出现了表征铜的谱线。

Claims (2)

1.一种通过电化学沉积使铜沉积在阴极上，从而从工业电解质获得铜粉末和铜纳米粉末的方法，该工业电解质包括废的工业电解质，该方法的特征在于，用由金、铂或不锈钢丝或箔制成的可移动或静止的超微电极、或超微电极阵列作为阴极，用金属铜作为阳极，采用接近或者达到图1所示的电流电压曲线的平台的阴极电位值，在电流方向改变或不改变的条件下，对铜离子浓度大于0.01g m^-3的电解质溶液进行恒电位脉冲电解，其中，在所述电流电压曲线上，电流电位的平台范围是-0.2V至-1V，该过程在18℃至60℃的温度下进行，并且该电解持续0.005秒至60秒。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对电解质溶液进行如图2中a)至d)所示的恒电位电解，其中：

-图2a)显示了在0.005秒至60秒的时间t_k内，相对于铜电极，阴极电位E_k在-0.2V至-1.0V的范围内的脉冲，

-图2b)显示了在0.005秒至60秒的时间t_k内，相对于铜电极，阴极电位E_k在-0.2V至-1.0V的范围内的脉冲，以及之后在比时间t_k短至少10％的时间t_a1内，相对于铜电极，阳极电位E_a1在0.0V至+1.0V的范围内的脉冲，

-图2c)显示了在时间t_a0≤t_k内，相对于铜电极，阳极电位E_a0在0.0V至+1.0V的范围内的脉冲，以及之后在0.005秒至60秒的时间t_k内，相对于铜电极，阴极电位E_k在-0.2V至-1.0V的范围内的脉冲，

-图2d)显示了在时间t_a0≤t_k内，相对于铜电极，阳极电位E_a0在0.0V至+1.0V的范围内的脉冲，以及之后在0.005秒至60秒的时间t_k内，相对于铜电极，阴极电位E_k在-0.2V至-1.0V的范围内的脉冲，以及随后在比时间t_k短至少10％的时间t_a1内，阳极电位E_a1的脉冲。

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