CN113122895A - 一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，包括以下步骤：(1)构建由阴极、阳极和电解质溶液组成的电极体系，其中，阴极设有并联的两个，在两个阴极的外侧分别固定有一阳极；(2)调整两个阴极之间的距离，即实现阴极表面矿物沉积速率的调控。与现有技术相比，本发明在保持阴极电流密度、无机矿物自身性质不变的前提下，实现矿物生长速率的有效调控，为该技术在建筑材料领域中的应用奠定坚实的基础。

Description

一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法
技术领域
本发明属于电化学沉积技术领域，涉及一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法。
背景技术
电化学沉积技术在金属、纳米及薄膜领域已有广泛的应用，沉积物的导电性与沉积的持续性、均匀性密切相关。因此，该技术在非导电无机矿物领域的发展并不具备优势。目前，电沉积无机矿物技术也仅主要应用于混凝土裂缝修补、阴极保护等领域。上世纪70年代，Wolf H.Hilbertz首次提出利用电化学沉积技术在海水中原位制备一种无机矿物建筑材料的技术。近年来，学者们探究了电流密度、阴极材料等参数对电沉积物生长的影响规律；确定了沉积物的主要组成为Mg(OH)2和少量CaCO3；同时对沉积物的力学性能进行研究，确立了这种无机矿物应用于建筑领域的潜力。但矿物的生长速率低是这一技术发展的最大难题。目前，提升沉积物生长速率的主要手段是提高阴极表面电流密度，这种方法仅在一定电流密度范围内有效，且因为阴极表面H2气泡生成速率也随电流密度增加而增大，气泡对沉积物的力学性能具有很大影响，甚至导致沉积物从阴极表面剥落。因此，在不影响阴极表面无机矿物自身性质的前提下，提升沉积物生长速率是目前亟待解决的难题。
发明内容
本发明的目的就是为了提供一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，在不影响沉积矿物自身性质的基础上，有效提升电沉积物原位生长速率，从而为电化学诱导矿物在建筑领域中的应用奠定坚实的基础。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
本发明提供了一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，包括以下步骤：
(1)构建由阴极、阳极和电解质溶液组成的电极体系，其中，阴极设有并联的两个，在两个阴极的外侧分别固定有一阳极；
(2)调整两个阴极之间的距离，即实现阴极表面矿物沉积速率的调控。
进一步的，调控过程中，两个阴极之间的距离越小，阴极表面矿物沉积速率提升越大。
进一步的，两个阴极分别和位于其外侧的阳极平行。
进一步的，两个阴极分别与位于其外侧的阳极的距离相同。
进一步的，两个阴极之间平行并联，且两个阴极的材料、尺寸均相同。
进一步的，两阴极之间的间距为阴极宽度或直径的6倍以内，具体的，当阴极为片状或网状时，则以其宽度为计量基准，当阴极为棒状或柱状时，则以其直径为计量基准。
进一步的，所述阴极为金属片、金属网或金属棒。
进一步的，所述阳极为钌铱钛片或铂金片。
进一步的，所述电解质溶液为包含镁离子和/或钙离子的水溶液。
进一步的，所述阴极和阳极分别与外部电源的负极和正极相连接。
本发明所涉及的阴极并联提升电化学诱导矿物沉积速率的方法，相比于现有的调控方法，具有如下创新点及优势：通过阴极并联，实现阴极表面OH-浓度叠加，在不改变电流密度的前提下，实现了阴极表面OH-浓度的提升，进而提高了Mg(OH)2等难溶矿物在阴极表面的生成速率。这种方式既避免了电流密度增大对沉积物孔结构的不利影响，又有效缩短了电化学诱导矿物沉积的周期，提升了沉积效率、降低了生产能耗。
附图说明
图1为本发明的阴极并联示意图；
图中标记说明：
1-外部电源，2-导线，3-一号阳极，4-二号阳极，5-一号阴极，6-二号阴极。
图2为并联阴极表面OH-浓度分布、叠加示意图。
图3为并联网状阴极及其所得沉积物照片。
图4为间距0.5cm并联棒状阴极及其所得沉积物照片。
图5为间距3.5cm的并联棒状阴极及其所得沉积物照片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
为了在不影响沉积矿物自身性质的基础上，有效提升电沉积物原位生长速率，从而为电化学诱导矿物在建筑领域中的应用奠定坚实的基础，本发明提供了一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，参见图1所示，包括以下步骤：
(1)构建由阴极、阳极和电解质溶液组成的电极体系，其中，阴极设有并联的两个，在两个阴极的外侧分别固定有一阳极；
(2)调整两个阴极之间的距离，即实现阴极表面矿物沉积速率的调控。
在一些实施方式中，调控过程中，两个阴极之间的距离越小，阴极表面矿物沉积速率提升越大。
在一些实施方式中，两个阴极分别和位于其外侧的阳极平行。
在一些实施方式中，两个阴极分别与位于其外侧的阳极的距离相同。
在一些实施方式中，两个阴极之间平行并联，且两个阴极的材料、尺寸均相同。
在一些实施方式中，两阴极之间的间距为阴极宽度或直径的6倍以内，具体的，当阴极为片状或网状时，则以其宽度为计量基准，当阴极为棒状或柱状时，则以其直径为计量基准。
在一些实施方式中，所述阴极为金属片、金属网或金属棒。
在一些实施方式中，所述阳极为钌铱钛片或铂金片。
在一些实施方式中，所述电解质溶液为包含镁离子和/或钙离子的水溶液。
在一些实施方式中，所述阴极和阳极分别与外部电源的负极和正极相连接。
本发明中，本发明中，将两个材料、尺寸相同的阴极分别与外部电源的负极相连接，即阴极平行并联。在电沉积过程中，两个阴极表面均发生水分子还原生成氢气(H2)和氢氧根离子(OH-)的反应。阴极表面生成的OH-向远离阴极表面的方向发生扩散，即阴极表面附近溶液中的OH-以一定浓度梯度存在。而两个阴极之间溶液中的OH-浓度必然相互叠加，叠加后的OH-浓度升高，且与阴极附近Mg2+等金属离子碰撞、结合的几率增加，最终体现为Mg(OH)2等难溶性晶体生长速率的提升。值得注意，阴极并联在提升沉积物生长速率的同时，并没有改变单个阴极表面电流密度，即单个阴极表面H2气泡生成速率并未增大，实现了阴极沉积物自身性质的稳定。
以上各实施方式可以任一单独实施，也可以任意两两组合或更多的组合实施。
下面结合具体实施例来对上述实施方式进行更详细的说明。
一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，阴极及阳极的连接方式参见图1，整个电极体系包括提供电流的外部电源(可以为直流电源)以及输送电流的导线，材料相同、尺寸相同、彼此相互平行并联的一号阴极和二号阴极，分别位于一号阴极和二号阴极外侧的一号阳极和二号阳极，阴极表面OH-离子浓度分布示意图如图2所示，二者存在叠加区域。
采用上述方式开展阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的实验，具体如下述实施例。
实施例1：
选取浓度为0.15mol/L的MgCl2、0.03mol/L的CaCl2及0.0069mol/L的NaHCO3混合溶液作为电解质溶液；阳极材料选用直径为0.3cm的钌铱钛棒，选用两片6cm*5cm的304不锈钢网(丝径0.5mm，孔径3.8mm)作为阴极，控制阴极和阳极间的距离为4cm，并联的阴极间的距离为1cm，控制电极浸入液面深度为6cm；外部电源选择稳压直流电源，采用恒电流模式，电流大小设置为20mA；每隔24h更换电解质溶液，确保电解质浓度及pH基本保持不变；沉积时间设置为720h。所得沉积产物的平均厚度为10.8mm，相比于单层阴极沉积物厚度增长率为24.14％。
实施例2
选取浓度为0.15mol/L的MgCl2、0.03mol/L的CaCl2及0.0069mol/L的NaHCO3混合溶液作为电解质溶液；阳极材料选用直径为0.3mm的钌铱钛棒，选用两根
Figure BDA0002984370040000041
的304不锈钢棒作为阴极，控制阴极和阳极间的距离为4cm，并联的阴极间的距离为0.5cm，控制电极浸入液面深度为6cm；外部电源选择稳压直流电源，采用恒电流模式，电流大小设置为20mA；每隔24h更换电解质溶液，确保电解质浓度及pH基本保持不变；沉积时间设置为120h。所得沉积产物的平均厚度为2.4mm，相比于单层阴极沉积物厚度增长率为26.32％。
对比例3：
与实施例2相比，绝大部分都相同，除了两阴极的间距调整为3.5cm，即阴极直径的7倍。所得沉积产物的平均厚度为1.9mm。
依据实施案例1和2及对比例3所得沉积矿物照片如图3(其中，图3a为并联网状阴极的图片，图3b则为所得沉积物的照片)、图4(其中，图4a为并联棒状阴极的图片，图4b为所得沉积物的图片)和图5(其中，图5a为并联棒状阴极的图片，图5b为所得沉积物的图片)所示。表1列出了上述实施例1和实施例2阴极并联所得沉积物的平均厚度，并与单阴极所得沉积物厚度(即分别与实施例1、2比较，除去采用单一的阴极与阳极外，其余条件均不变的对比例1和对比例2)进行对比。同时，列出了上述实施例2与对比例3阴极并联所得沉积物的平均厚度(即与实施例2比较，除去采用两阴极间距扩大至阴极直径的7倍外，其余条件均不变)进行对比。对于双层网状阴极，沉积物厚度增长率为24.14％；对于棒状阴极，阴极并联所得沉积物厚度较单阴极增长了26.32％。对于棒状阴极，两阴极间距为0.5cm(即阴极间距的1倍)所得沉积物厚度较间距为3.5cm(即阴极间距的7倍)的两阴极增长了26.32％。此外，从以上两个具体实施案例可以发现，阴极并联对沉积矿物厚度增长速率具有明显促进作用，增长率达25％左右。通过调整并联阴极之间的距离可以进一步调控沉积物的生长速率。同时，对比实施案例2与对比例3可以发现，两阴极间距增大至阴极直径的6倍以上后，阴极并联对沉积矿物厚度增长速率的促进作用消失。
表1
Figure BDA0002984370040000051
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)构建由阴极、阳极和电解质溶液组成的电极体系，其中，阴极设有并联的两个，在两个阴极的外侧分别固定有一阳极；
(2)调整两个阴极之间的距离，即实现阴极表面矿物沉积速率的调控。
2.根据权利要求1所述的一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，调控过程中，两个阴极之间的距离越小，阴极表面矿物沉积速率提升越大。
3.根据权利要求1所述的一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，两个阴极分别和位于其外侧的阳极平行。
4.根据权利要求1或3所述的一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，两个阴极分别与位于其外侧的阳极的距离相同。
5.根据权利要求1所述的一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，两个阴极之间平行并联，且两个阴极的材料、尺寸均相同。
6.根据权利要求1所述的一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，两阴极之间的间距为阴极宽度或直径的6倍以内。
7.根据权利要求1所述的一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，所述阴极为金属片、金属网或金属棒。
8.根据权利要求1所述的一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，所述阳极为钌铱钛片或铂金片。
9.根据权利要求1所述的一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，所述电解质溶液为包含镁离子和/或钙离子的水溶液。
10.根据权利要求1所述的一种阴极并联调控电化学诱导矿物沉积速率的方法，其特征在于，所述阴极和阳极分别与外部电源的负极和正极相连接。
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