CN104266932A - 一种金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，采用测定金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，具体包括如下步骤：气体收集；干燥脱水；气量测定；数据处理，得到氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用法拉第方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率。本发明解决了重量法测定电流效率和沉积速率存在的问题，同时还解决了电化学阴极沉积法过程的控制、安全检测和实现在线监控的技术难题。

Description

一种金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法

技术领域

本发明属于分析化学技术领域，特别涉及一种金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法。

背景技术

锌、铜、铁、钴、镍等金属以及合金的粉末是指粒径在1-1000μm之间的粒子。由于金属及其合金粉末具有导电导热性能好、粒径小、耐腐蚀、表面光洁、流动性强等特点。因此，在力学、电学、化学和功能材料的制造等领域有许多特异性能和极大的应用价值。制备金属及其合金粉末粒子，获得具有特殊功能的粉末材料在许多领域有重要的应用。

采用电化学阴极沉积法制备金属粉末是在的金属离子溶液中，采用阴极还原技术沉积得到金属或者合金，及时将在阴极还原得到的金属粉末脱离阴极板，使得金属粉末颗粒的生成速度大于其长大速度，并用表面修饰剂抑制其长大，从而得到超细活性金属粉末。

电化学阴极沉积法制备的金属粉末具有比表面积大，活性好，作为还原剂使用具有还原效果好，可减少金属粉末的用量等特点。而且电化学阴极沉积法的制备工艺相对简单、细粉末得率高、操作控制方便、生产成本较低，应用前景广泛。

在电化学阴极沉积法制备的金属粉末过程中，电化学阴极沉积过程的电流效率和沉积速率是表征过程重要参数。电流效率和沉积速率的定义是:

电流效率：电流效率是一定沉积时间内实际获得产物质量(Δm_R)与通过的电量法采用Faraday(法拉第)定律计算得到的理论产物质量(Δm_T)之比得到，用公式表示为：

$\mathrm{\η}=\frac{\mathrm{\Δ}{m}_R}{\mathrm{\Δ}{m}_T}\×100\%---\left(2\right)$

$\mathrm{\Δ}{m}_T=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{tI}}{\mathrm{nF}}{M}_w---\left(2\right)$

式中：η—电流效率，％；Δm_R—Δt内实际电沉积获得产物质量，g；Δm_T—Δt内理论产物质量，g。I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol。

沉积速率：电流效率是一定沉积时间内是实际获得产物质量(Δm_R)与通过的电量法采用拉第定律计算得到的理论产物质量(Δm_T)之比得到，沉积速率是指单位时间内沉积的金属粉末质量，

$v=\underset{\mathrm{\Δt}\→0}{\lim }\frac{\mathrm{\Δ}{m}_R}{\mathrm{\Δt}}=\frac{{\mathrm{dm}}_R}{\mathrm{dt}}={m_R}^{\′}---\left(3\right)$

ν—沉积速率，g/s；Δt—沉积时间，s；Δm_R—Δt内实际电沉积获得产物质量，g；m_R'—沉积物质量对沉积时间导数。

获得电化学阴极沉积过程的电流效率和沉积速率及其重要。为了对电化学阴极沉积法制备的金属粉末过程过程进行设计、开发和优化，满足不断研发的应用要求，测定电化学阴极沉积法制备的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的显得尤为重要。

测定金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率具有极其重要的作用，具有以下重要意义：

(1)控制过程，优化操作参数：为了获得优化的操作条件，优化过程，获得优化的控制方法和参数。通过对电流效率(η)和金属粉末沉积速率(v)的测定，可以对电沉积操作参数进行选择，以通过电流效率和制备生产率。

(2)保证产品质量：由于阴极析氢副反应的进行使得沉积在阴极上的金属粉末成海绵疏松状，通过电流效率和沉积速率的测定可以控制、改变工艺参数来减少析氢副反应的进行，进而提高产品品质。

(3)通过生产效率，改善生成过程、节约电能：通过对电流效率(η)和金属粉末沉积速率(v)的测定，可以对电沉积操作参数进行选择，降低电能消耗。

因此，测定过程的电流效率特别瞬时电流效率和金属粉末沉积速率是是表征过程的重要参数之一。通过分析测定影响电化学阴极沉积制备金属粉末过程的电流效率、金属沉积速率的影响因素和规律研究，可为系统组成、电化学反应器设计和操作参数优化提供重要的理论依据和应用价值。

现有测定电化学阴极沉积法制备的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法是重量法：重量法是在一定条件下，电化学阴极沉积法制备得到一定数量的金属粉末沉淀在电化学反应器中，然后采用固-液分离、洗涤、干燥和称量得到制备金属粉末的质量，通过进一步计算得到电化学阴极沉积法制备的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率等参数。

重量法测定电流效率和沉积速率存在如下几个问题：

(1)为了得到一定数量的金属粉末颗粒满足过程处理和称量的要求，必须要有一定的电化学阴极沉积时间，因此只能得到Δt沉积时间内的平均电流效率和沉积速率，难以得到瞬时电流效率和瞬时沉积速率。

(2)采用称量得到金属粉末颗粒需要有一定的电化学阴极沉积时间，得到的产品必须经过处理过程，在后处理过程中要经过固液-分离、洗涤、干燥等步骤，必然存在操作步骤多，测定时间长的缺点，难以实现在线测定。

(3)重量法得到的测定结果可靠性差，由于繁琐的后处理步骤，这就使得这就使得m_R的测量变得非常不准确，进而影响了η、v的准确性。在后处理过程中难以避免的由于繁琐工艺操作原因会损失一部分金属粉末，从而使得m_R的测量值小于实际值，进而影响了η、v的准确性。由于制备得到的金属粉末颗粒尺寸极小(一般为亚微米、微米级)，其表面能极高、性质非常活泼，使得其极易氧化生成金属氧化物。这就进一步使得m_R的测量变得非常不准确，进而影响了η、v的准确性。

(4)由于阳极板不纯，与电解液发生置换反应生成目标金属粉末，使得电沉积实际获得产物质量m_R偏大，进而影响了η、v的准确性。

获得电化学阴极沉积过程的电流效率和沉积速率及其重要。为了对电化学阴极沉积法制备的金属粉末过程过程进行设计、开发和优化，满足不断研发的应用要求，测定电化学阴极沉积法制备的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的显得尤为重要。因此，针对目前测定电流效率和沉积速率存在的问题，亟待研发测定电化学阴极沉积法制备的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，以克服现有金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法中存在的上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，采用测定金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，具体步骤如下：

(1)气体收集：采用集气装置，收集金属粉末阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将步骤(1)收集的气体通过干燥脱水装置，干燥脱水装置中设置有脱水干燥剂脱，采用脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将步骤(2)经过脱去水分的气体在气体流量计中测定氢气的体积流量或者测定一段时间内得到的氢气的体积；

(4)数据处理：将步骤(3)得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用法拉第方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率。

所述步骤(4)的数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol，沉积得到的金属为两种或两种以上的合金：其中合金组分组成为n₁：n₂：n₃：…＝a：b：c：…，则M_W＝a M₁+b M₂+c M₃+…。

进一步的，所述金属粉末为锌、铜、铁、钴、镍中的任意一种或两种及以上的组合。

进一步的，所述步骤(1)中，集气装置为倒置漏斗、集气瓶、气提装置的一种。

进一步的，所述步骤(2)中，干燥脱水装置为固定床、流化床、干燥器的一种。

进一步的，所述步骤(2)中，脱水干燥剂氯化钙、碱石灰、硅胶、浓硫酸的一种。

进一步的，所述步骤(3)中，所述流量测定装置为皂膜流量计、浮子流量计、孔板流量计、超声波流量计中的一种。

本发明的原理是：

充分利用制备过程中生成氢气量的测定过程和利用Faraday来获得过程的电流效率和金属沉积沉积速率。具体的主要应用的原理有：

(1)阴极还原电沉积电极过程满足法拉第定律(Faraday’s law)特性

电化学阴极还原制备金属粉末过程满足法拉第定律。即电极上通过的电量与电极反应物质量之间的关系满足的法拉第定律。在电解过程中，阴极上还原物质析出的量与所通过的电流密度和通电时间成正比。法拉弟定律是从大量实践中总结出来的，与温度、压力、电解液组成、电化学反应器的形状及尺寸等无关；法拉弟定律是描述电子导体和离子导体界面间通过的电量与形成产物的量(或消耗反应物的量)间的关系；当有电流通过电极与溶液界面时，常常不只发生一个电极反应，法拉弟定律是针对所有电极反应而言的。当阴极反应同时存在金属离子的还原与析出氢气的反应时，所形成产物的量应是沉积出金属的量与析出氢气量之和。

(2)阴极析氢过程满足法拉第定律(Faraday’s law)特性

在电化学阴极还原制备金属粉末过程中，电极析氢反应同样满足法拉第定律。即电极上通过的电量与电极析氢反应之间的关系满足的法拉第定律。

$n_H={\mathrm{\η}}_H\·I\·t/(n_{H_2}\·F)$

而且一般电化学阴极还原制备金属粉末过程采用恒电流操作的特性。

(3)阴极析氢为唯一副反应

在电化学阴极还原制备金属粉末过程中，电解液中金属离子的电化学阴极还原反应得到金属过程为主反应，同时，在该过程中，阴极上发生的析氢反应是唯一的副反应。

(4)气体状态方程特性

测定氢气的流量或者体积容量，采用气体状态方程计算得到析氢的速率：

$P\·V_H=n_{H_2}\·R\·T$

因此，采用测定析氢的速率，即可以得到副反应的电流效率，相应地得到阴极沉积制备金属的电流效率。

(5)阴极析出的氢气难溶于电解液中

充分利用在电化学阴极还原制备金属粉末过程中，在阴极上析出的氢气不会溶于电解液中。即可以通过收集阴极上析出的氢气的数量，测定其流量，即为阴极上析出的氢气的量。

(6)氢气与空气的混合特性

氢气与空气在操作温度下的混合为体积混合。一种金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，特别是一种阴极电化学还原方法制备金属粉末过程中电流效率和沉积速率的测定方法，其特征在于，采用测定阴极产生氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法。

本发明技术的测定和数据处理方法

在标准状况下生成1.0m³体积氢气需要的电荷量为：

$\begin{array}{c}{Q}_{H_2}=n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·V\\ =2\×96484\×\frac{1.01\×{10}^5\×1.0}{8.314\×273.15}\\ =8.571\×{10}^{6}C\\ =2392.9A\·h\end{array}$

其中：—生成1.0m³体积氢气需要的电荷量，C；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；T＝273.15K，V＝1.0m³。

如采用1.0A电流用于制H₂，则每小时可制得H₂为417.90mL，即每分钟制得氢气为6.96mL。

本发明的有益效果是：

本发明解决了现有的重量法测定电流效率和沉积速率存在的问题，同时还解决了电化学阴极沉积法过程的控制、安全检测和实现在线监控的技术难题。具体为：

(1)通过测定氢气生成量可以随时对电流效率进行测定，即实现在线测定。

(2)一般方法往往会因为金属粉末的氧化和金属粉末在后处理工艺时的损失而造成测定结果偏差甚至错误。通过测定氢气生成量来计算电流效率就可以避免这样错误，使得测定结果准确可靠。

(3)通过测定氢气生成量计算电流效率避免了一般方法中繁琐的后处理工艺步骤，使得整个测定简单、高效。

附图说明

图1为本发明的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

锌金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法，采用测定锌金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法，依次包括如下步骤：

(1)气体收集：采用倒置漏斗为集气装置，收集阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将上一步收集的气体通过固定床干燥脱水装置，采用氯化钙为脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将上一步经过脱去水分的气体在皂膜流量计测定装置中的测定氢气的体积流量；

(4)数据处理：将上一步得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用Faraday方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol。

实施例2

铜金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法，采用测定铜金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，依次包括如下步骤：

(1)气体收集：采用集气瓶为集气装置，收集阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将上一步收集的气体通过流化床干燥脱水装置，采用碱石灰为脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将上一步经过脱去水分的气体在浮子流量计、孔板流量计测定装置中的测定氢气的体积流量；

(4)数据处理：将上一步得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用Faraday方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol。

实施例3

铁金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法，采用测定铁金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，依次包括如下步骤：

(1)气体收集：采用气提装置为集气装置，收集阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将上一步收集的气体通过干燥器为干燥脱水装置，采用硅胶为脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将上一步经过脱去水分的气体超声波流量计测定装置中的测定氢气的体积流量或者测定一定时间内的得到氢气体积；

(4)数据处理：将上一步得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用Faraday方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol。

实施例4

钴金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法，采用测定钴金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法，依次包括如下步骤：

(1)气体收集：采用倒置漏斗为集气装置，收集阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将上一步收集的气体通过固定床干燥脱水装置，采用浓硫酸为脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将上一步经过脱去水分的气体在皂膜流量计测定装置中的测定氢气的体积流量或者测定一定时间内的得到氢气体积；

(4)数据处理：将上一步得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用Faraday方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol。

实施例5

镍金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法，采用测定镍金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法依次包括如下步骤：

(1)气体收集：采用集气瓶为集气装置，收集阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将上一步收集的气体通过干燥器为干燥脱水装置，采用硅胶为脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将上一步经过脱去水分的气体在孔板流量计测定装置中的测定氢气的体积流量或者测定一定时间内的得到氢气体积；

(4)数据处理：将上一步得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用Faraday方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol。

实施例6

锌、铜合金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法，采用测定锌、铜合金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法，依次包括如下步骤：

(1)气体收集：采用倒置漏斗为集气装置，收集阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将上一步收集的气体通过固定床干燥脱水装置，采用浓硫酸为脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将上一步经过脱去水分的气体在皂膜流量计测定装置中的测定氢气的体积流量或者测定一定时间内的得到氢气体积；

(4)数据处理：将上一步得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用Faraday方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol，沉积得到的金属为两种或两种以上的合金：其中合金组分组成为n₁：n₂：n₃：…＝a：b：c：…，则M_W＝a M₁+b M₂+c M₃+…

实施例7

铁、钴合金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法，采用测定铁、钴合金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法，依次包括如下步骤：

(1)气体收集：采用集气瓶为集气装置，收集阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将上一步收集的气体通过干燥器干燥脱水装置，采用硅胶为脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将上一步经过脱去水分的气体在皂膜流量计超声波流量计的流量测定装置中的测定氢气的体积流量或者测定一定时间内的得到氢气体积；

(4)数据处理：将上一步得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用Faraday方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol，沉积得到的金属为两种或两种以上的合金：其中合金组分组成为n₁：n₂：n₃：…＝a：b：c：…，则M_W＝a M₁+b M₂+c M₃+…

实施例8

钴、镍合金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法，采用测定钴、镍合金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法，依次包括如下步骤：

(1)气体收集：采用气提装置为集气装置，收集阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将上一步收集的气体通过流化床干燥脱水装置，采用碱石灰为脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将上一步经过脱去水分的气体在孔板流量计测定装置中的测定氢气的体积流量或者测定一定时间内的得到氢气体积；

(4)数据处理：将上一步得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用Faraday方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol，沉积得到的金属为两种或两种以上的合金：其中合金组分组成为n₁：n₂：n₃：…＝a：b：c：…，则M_W＝a M₁+b M₂+c M₃+…

实施例9

铁、钴、镍合金属粉末制备过程中的电流效率和沉积速率测定方法，采用测定铁、钴、镍合金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率的方法，依次包括如下步骤：

(1)气体收集：采用倒置漏斗为集气装置，收集阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将上一步收集的气体通过固定床干燥脱水装置，采用硅胶为脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将上一步经过脱去水分的气体在皂膜流量计测定氢气的体积流量或者测定一定时间内的得到氢气体积；

(4)数据处理：将上一步得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用Faraday方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率。

Δt沉积时间内的平均沉积速率：

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484 C/mol；P＝1.01×10⁵ Pa；R＝8.314 J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol，沉积得到的金属为两种或两种以上的合金：其中合金组分组成为n₁：n₂：n₃：…＝a：b：c：…，则M_W＝a M₁+b M₂+c M₃+…

以上所述仅为本发明之较佳可行实施例而已，非因此局限本发明的专利保护范围。除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，其特征在于：采用测定金属粉末阴极产生的氢气量获得金属粉末制备过程中的金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率，具体步骤如下：

(1)气体收集：采用集气装置，收集金属粉末阴极产生的含有氢气的气体，收集的气体进入下一步；

(2)干燥脱水：将步骤(1)收集的气体通过干燥脱水装置，干燥脱水装置中设置有脱水干燥剂脱，采用脱水干燥剂脱去收集的气体中因阴极产生的氢气而带出的水分，经过脱水的气体进入下一步；

(3)气量测定：将步骤(2)经过脱去水分的气体在气体流量计中测定氢气的体积流量或者测定一段时间内得到的氢气的体积；

(4)数据处理：将步骤(3)得到的氢气的体积或者体积流量采用气体方程计算得到氢气产生的摩尔量或摩尔速率，然后采用法拉第方程计算得到阴极产生的氢气的电流效率，由计算得到的氢气的电流效率，进一步计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率和沉积速率。

2.如权利要求1所述的金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，其特征在于：所述步骤(4)的数据处理方法为：

由Δt沉积时间内，测得阴极产生的氢气体积为：VmL＝V·10^-6，m³，测定的操作温度为绝对温度T K；产生V mL体积氢气需要的总电荷量为：C；需要产生氢气的体积流量为V mL的操作电流为：A；Δt沉积时间内的金属沉积的平均电流效率为：

$\stackrel{\‾}{\mathrm{\η}}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\×\frac{P}{\mathrm{RT}}\×\frac{{10}^{-6}\×V}{\mathrm{\Δt}}}{I})\×100\%$

在Δt沉积时间内，氢气的平均体积流量为：mL/s；当测定的沉积时间间隙Δt比较小时，可以将氢气的瞬时体积流量与平均体积流量基本相等，可以近似为：mL/s；采用氢气的瞬时体积流量计算得到的金属沉积的瞬时电流效率为：

$\mathrm{\η}=(1.0-\frac{I_{H_2}}{I})\×100\%=(1.0-\frac{n_{H_2}F\·\frac{P}{\mathrm{RT}}\·{10}^{-6}\·v}{I})\×100\%$

由计算得到金属粉末在阴极沉积的电流效率，再采用Faraday方程计算得到金属粉末在阴极沉积速率；

Δt沉积时间内的平均沉积速率：g/s

金属粉末在阴极沉积的瞬时沉积速率：g/s

式中：η—瞬时电流效率，％；—平均电流效率，％；Δt—沉积时间，s；I—沉积电流，A；n—沉积金属在电沉积过程中的得电子数；F—Faraday常数，96484C/mol；P＝1.01×10⁵Pa；R＝8.314J/(K·mol)；m—瞬时沉积速率，g/s；—平均沉积速率，g/s；Δm—Δt内电沉积获得产物质量，g；M_W—沉积金属摩尔质量，g/mol，沉积得到的金属为两种或两种以上的合金：其中合金组分组成为n₁：n₂：n₃：…＝a：b：c：…，则M_W＝a M₁+b M₂+c M₃+…。

3.如权利要求1所述的金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，其特征在于：所述金属粉末为锌、铜、铁、钴、镍中的任意一种或两种及以上的组合。

4.如权利要求1所述的金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，其特征在于：所述步骤(1)中，集气装置为倒置漏斗、集气瓶、气提装置的一种。

5.如权利要求1所述的金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，干燥脱水装置为固定床、流化床、干燥器的一种。

6.如权利要求1所述的金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，其特征在于：所述步骤(2)中，脱水干燥剂氯化钙、碱石灰、硅胶、浓硫酸的一种。

7.如权利要求1所述的金属粉末制备过程中电流效率和沉积速率的测定方法，其特征在于：所述步骤(3)中，所述流量测定装置为皂膜流量计、浮子流量计、孔板流量计、超声波流量计中的一种。