Модельное описание процесса электроосаждения рыхлых осадков цинка в импульсных режимах потенциала

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

С помощью феноменологической модели рассчитаны структурные характеристики рыхлых осадков цинка, полученных в импульсных режимах потенциала. Повышение скважности приводит к усилению анодного растворения в период пауз и получению более плотных осадков, вследствие формирования дендритов с меньшим количеством вершин, но большего диаметра по сравнению с осадками, полученными в потенциостатическом режиме. Установлена линейная зависимость диаметра вершин дендритов, образующих рыхлый осадок цинка, от скважности. Показано, что существует критическое время, соответствующее достижению нулевой скорости роста осадка, когда металл, осажденный за время импульса, будет полностью растворяться во время паузы.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. С. Никитин

УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Автор, ответственный за переписку.
Email: nikitin-viachieslav@mail.ru

Химико-технологический институт

Россия, Екатеринбург

Т. Н. Останина

УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: ostni@mail.ru

Химико-технологический институт

Россия, Екатеринбург

В. М. Рудой

УрФУ имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Email: nikitin-viachieslav@mail.ru

Химико-технологический институт

Россия, Екатеринбург

Список литературы

  1. Sharifi, B., Mojtahedi, M., Goodarzi, М., and Vahdati, K.J., Effect of alkaline electrolysis conditions on current efficiency and morphology of zinc powder, Hydrometallurgy, 2009, vol. 99, p. 72.
  2. Коровин, Н.В., Скундин, А.М. Химические источники тока: Справочник, М.: Изд-во МЭИ, 2003. 740 с. [Korovin, N.V. and Skundin, A.M., Chemical sources of current: Handbook (in Russian), Moscow: Publ. House of MEI, 2003. 740 p.]
  3. Кромптон, Т.Р. Первичные источники тока (пер. с англ.), М.: Мир, 1986. 328 с. [Crompton, T.R., Small Batteries: Primary Cells, London, Basingstoke: The Macmillan Press Ltd., 1982. 241 p.]
  4. Толстошеева, С.И., Степин, С.Н., Давыдова, М.С., Вахин, А.В. Влияние наноразмерного цинкового порошка на защитные свойства протекторных покрытий. Вестник КТУ. 2012. Т. 15. С. 98. [Tolstosheeva, S.I., Stepin, S.N., Davydova, M.S., and Vakhin, A.V., The effect of nanoscale zinc powder on the protective properties of tread coatings, Vestnik Kazanskovo Tekhnologicheskovo Universiteta (in Russian), 2012, vol. 15, p. 98.]
  5. Таныгина, Е.Д., Пономарева, М.В., Прусаков, А.В., Урядников, А.А. Модифицированные порошком цинка и графита антикоррозионные составы на основе продуктов рафинирования низкоэрукового рапсового масла. Вестник ТГУ. 2009. Т. 14. С. 100. [Tanygina, E.D., Ponomareva, M.V., Prusakov, A.V., and Uryadnikov, A.A., Anticorrosive compositions modified with zinc and graphite powder based on refining products of low-grade rapeseed oil, Vestnik Tomskovo Gosudarstvennovo Universiteta (in Russian), 2009, vol. 14, p. 100.]
  6. Алкацев, М.И. Процессы цементации в цветной металлургии. М.: Металлургия, 1981. 116 с. [Alkatsev, M.I., Cementation processes in non-ferrous metallurgy (in Russian), Moscow: Metallurgy, 1981. 116 p.]
  7. Steinfeld, A., Solar thermochemical production of hydrogen – a review, Sol. Energy, 2005, vol. 78, p. 603.
  8. Villasmil, W., Meier, A., and Steinfeld, A., Dynamic modeling of a solar reactor for zinc oxide thermal dissociation and experimental validation using IR thermography, J. Sol. Energy Eng., 2014, vol. 6, p. 010901.
  9. Weidenkaff, A., Steinfeld, A., Wokaun, A., Auer, P., Eichler, B., and Reller, A., Direct solar thermal dissociation of zinc oxide: condensation and crystallisation of zinc in the presence of oxygen, Sol. Energy, 1999, vol. 65, p. 59.
  10. Vishnevetsky, I. and Epstein, M., Production of hydrogen from solar zinc in steam atmosphere, Intern. J. Hydrogen Energy, 2007, vol. 32, p. 2791.
  11. Bhosale, R.R., Solar hydrogen production via ZnO/Zn based thermochemical water splitting cycle: Effect of partial reduction of ZnO, Intern. J. Hydrogen Energy, 2020, vol. 46, p. 4739.
  12. Tamaura, Y., Kojima, M., Sano, T., Ueda, Y., Hasegawa, N., and Tsuji, M., Thermodynamic evaluation of water splitting by a cation-excessive (Ni, Mn) ferrite, Intern. J. Hydrogen Energy, 1998, vol. 23, p. 1185.
  13. Ullah, S., Badshah, A., Ahmed, F., Raza, R., Altaf, A.A., and Hussain, R., Electrodeposited zinc electrodes for high current Zn/AgO Bipolar Batteries, Intern. J. Electrochem. Sci., 11, p. 3801.
  14. Neikov, O.D., Nabojchenko, S.S., Murashova, I.B., Gopienko, V.G., Frishberg, I.V., and Lotsko D.V., Handbook of Non-ferrous Metal Powders: Technologies and applications, London, N-Y, Amsterdam: Elsevier, 2009. 634 p.
  15. Помосов, А.В., Мурашова, И.Б. Исследование влияния режимов электролиза на дисперсность и насыпной вес никелевого порошка. Порошковая металлургия. 1966. № 6. С. 1. [Pomosov, A.V. and Murashova, I.B., Investigation of the effect of electrolysis modes on the dispersion and bulk weight of nickel powder, Poroshkovaya Metallurgiya (in Russian), 1966, no. 6, p. 1.]
  16. Diggle, J.W., Despić, A.R., and Bockris, J.O’M., The mechanism of the dendritic electrocrystallization of zinc, J. Electrochem. Soc., 1969, vol. 116, p. 1503.
  17. Popov, K.I., Djikić, L.М., Pavlović, M.J., and Maksimović, M.D., The critical overpotential for copper dendrite formation, J. Appl. Electrochem., 1979, vol. 9, p. 527.
  18. Nikolić, N.D., Branković, G., Maksimović, V.M., Pavlović, M.G., and Popov, K.I., Influence of potential pulse conditions on the formation of honeycomb-like copper electrodes, J. Electroanal. Chem., 2009, vol. 635, p. 111.
  19. Popov, K.I., Nikolić, N.D., Živković, P.M., Branković, G., and Popov, K.I., The effect of the electrode surface roughness at low level of coarseness on the polarization characteristics of electrochemical processes, Electrochim. Acta, 2010, vol. 55, p. 1919.
  20. Nikolić, N.D., Branković, G., and Popov, K.I., Optimization of electrolytic process of formation of open and porous copper electrodes by the pulsating current (PC) regime, Mater. Chem. and Phys., 11, vol. 5, p. 587.
  21. Nikolić, N.D., Branković, G., and Pavlović, M.G., Correlate between morphology of powder particles obtained by the different regimes of electrolysis and the quantity of evolved hydrogen, Powder Technol., 2012, vol. 221, p. 271.
  22. Nikolić, N.D. and Branković, G., Effect of parameters of square-wave pulsating current on copper electrodeposition in the hydrogen co-deposition range, Electrochem. Commun., 2010, vol. 12, p. 740.
  23. Nikolić, N.D., Branković, G., Maksimović, V.M., Pavlović, M.G., and Popov, K.I., Influence of potential pulse conditions on the formation of honeycomb-like copper electrodes, J. Electroanal. Chem., 2009, vol. 635, p. 111.
  24. Karimi Tabar Shafiei, F., Jafarzadeh, K., Madram, A.R., and Nikolić, N.D., A novel route for electrolytic production of very branchy copper dendrites under extreme conditions, J. Electrochem. Soc., 2021, vol. 8, p. 043502.
  25. Ostanina, T.N., Rudoy, V.M., Nikitin, V.S., Darintseva, A.B., and Demakov S.L., Change in the physical characteristics of the dendritic zinc deposits in the stationary and pulsating electrolysis, J. Electroanal. Chem., 2017, vol. 784, p. 13.
  26. Никитин, В.С., Останина, Т.Н., Рудой, В.М. Влияние параметров режима импульсного потенциала на концентрационные изменения в объеме рыхлого осадка цинка и его свойства. Электрохимия. 2018. Т. 54. С. 767. [Nikitin, V.S., Ostanina, T.N., and Rudoi, V.M., Effect of parameters of pulsed potential mode on concentration changes in the bulk loose zinc deposit and its properties, Russ. J. Electrochem., 2018, vol. 54, p. 665.]
  27. Despić, A.R., Diggle, J., and Bockris, J.O., Mechanism of formation of zinc dendrites, J. Electrochem. Soc., 1968, vol. 115, p. 507.
  28. Popov, K.J., Pavlović, M.G., Spasogević, M.D., and Nakić, V.M., The critical overpotential for zinc dendrite formation, J. Appl. Electrochem., 1979, vol. 9, p. 533.
  29. Мурашова, И.Б., Помосов, А.В., Эделева, Н.А. Динамическая модель развития дисперсного осадка в гальваностатических условиях: влияние кислотности электролита на кинетику роста дендритов. Электрохимия. 1979. Т. 15. С. 182. [Murashova, I.B., Pomosov, A.V., and Edeleva, N.A., Dynamic model of dispersed deposit development under galvanostatic conditions: The effect of electrolyte acidity on the kinetics of dendrite growth, Russ. J. Electrochem., 1979, vol. 15, p. 182.]
  30. Мурашова, И.Б., Помосов, А.В., Воробьев, В.И., Музгина, Е.В. Динамическая модель роста дендритного осадка в гальваностатических условиях: влияние материала катода на скорость роста дендритов. Электрохимия. 1981. Т. 27. С. 548. [Murashova, I.B., Pomosov, A.V., Vorobyov, V.I., and Muzgina, E.V., Dynamic model of dendritic deposit growth under galvanostatic conditions: Influence of cathode material on dendrite growth rate, Russ. J. Electrochem., 1981, vol. 27, p. 548.]
  31. Мурашова, И.Б., Помосов, А.В., Тишкина, Т.Н. Динамическая модель развития дисперсного осадка в гальваностатических условиях: влияние природы разряжающегося металла на динамику роста дендритов. Электрохимия. 1982. Т. 18. С. 449. [Murashova, I.B., Pomosov, A.V., and Tishkina, T.N., Dynamic model of dispersed deposit development under galvanostatic conditions: Influence of the nature of the discharged metal on the dynamics of dendrite growth, Russ. J. Electrochem., 1982, vol. 18, p. 449.]
  32. Мурашова, И.Б., Бурханова, Н.Г. Расчет структурных изменений дендритного осадка в процессе гальваностатического электролиза. Электрохимия. 2001. Т. 37. С. 871. [Murashova, I.B. and Burhanova, N.G., Calculation of structural changes of dendritic deposit during galvanostatic electrolysis, Russ. J. Electrochem., 2001, vol. 37, p. 871.]
  33. Ostanina, T.N., Rudoi, V.M., Patrushev, A.V., Darintseva, A.B., and Farlenkov, A.S., Modelling the dynamic growth of copper and zinc dendritic deposits under the galvanostatic electrolysis conditions, J. Electroanal. Chem., 2015, vol. 750, p. 9.
  34. Никитин, В.С., Останина, Т.Н., Рудой, В.М., Останин, Н.И. Модельное описание процесса электроосаждения рыхлых осадков цинка в импульсных режимах задания тока. Электрохимия. 2023. Т. 59. С. 391.
  35. Гамбург, Ю.Д., Зангари, Дж. Теория и практика электроосаждения металлов (пер. с англ.), М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015. 439 с. [Gamburg, Y.D. and Zangari, G., Theory and practice of metal electrodeposition, N.Y.: Springer Science & Business Media, 2011. 378 p.]
  36. Плит, В. Электрохимия в материаловедении (пер. с англ.), М.: Бином. Лаборатория знаний, 2015. 446 с. [Plieth, W., Electrochemistry for Materials Science, Amsterdam, Netherlands: Elsevier Science, 2008. 432 p.]
  37. де Векки, Д.А., Москвин, А.В., Петров, М.Л., Резников, А.Н., Скворцов, Н.К., Тришин, Ю.Г. Новый справочник химика и технолога. Основные свойства неорганических, органических и элементоорганических соединений, С.-Пб.: Мир и Семья, 2002. С. 348. [de Vecchi, D.A., Moskvin, A.V., Petrov, M.L., Reznikov, A.N., Skvortsov, N.K., and Trishin, Yu.G., New handbook of chemist and technologist. Basic properties of inorganic, organic and elementoorganic compounds (in Russian), Saint-Petersburg: “Mir i Sem’ya”, 2002. p. 348.]
  38. Никитин, В.С., Останина, Т.Н., Кумков, С.И., Рудой, В.М., Останин, Н.И. Определение периода наращивания рыхлого осадка цинка с использованием методов интервального анализа. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. № 1. С. 11. [Nikitin, V.S., Ostanina, T.N., Kumkov, S.I., Rudoy, V.M., and Ostanin, N.I., Determination of the growth time period of loose zinc deposit using interval analysis methods, Russ. J. Non-Ferrous Met., 2020, vol. 61, p. 540.]

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема (а) и фото (б) цилиндрического электрода высотой H со слоем рыхлого осадка толщиной у(t); d0 – начальный диаметр электрода; D(t) – диаметр электрода с осадком в момент времени t.

Скачать (290KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Изменение силы тока во времени при осаждении цинка в потенциостатическом режиме (E = –0.38 В).

Скачать (56KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Изменение тока в процессе осаждения цинка в импульсном режиме задания потенциала (С = 2.5, τimp/τp = 20 с / 30 с). На врезке увеличенное изображение 47-го и 48-го циклов электролиза.

Скачать (93KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Изменение толщины рыхлых осадков цинка во времени электролиза. Цифрами на графиках указаны значения скважности. Маркеры – экспериментальные данные; линия – аппроксимация по уравнению (12).

Скачать (76KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изменение дифференциального выхода цинка по току во времени электролиза. Цифрами на графике указаны значения скважности. Маркеры – экспериментальные данные; линия – аппроксимация по уравнению (13).

Скачать (86KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Суммарное количество электричества в потенциостатическом режиме (С = 1). На врезке увеличенное изображение первых минут электролиза. Пунктирная линия – кривая, полученная численным интегрированием зависимости I(t) (уравнение (16)); сплошная линия – аппроксимация с помощью полинома (20).

Скачать (63KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Эффективное количество электричества в импульсных режимах задания потенциала. Цифрами на графике указаны значения скважности. Пунктирная линия – кривая, полученная численным интегрированием зависимости I(t) (уравнение (17)); сплошная линия – аппроксимация с помощью полинома (20).

Скачать (73KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Изменение количества и плотности расположения вершин дендритов на фронте роста осадка в стационарном (а) и импульсных режимах задания потенциала (б). Цифрами на графиках обозначены значения скважности. Сплошные линии – кривые Nsp; пунктирные линии – кривые N.

Скачать (98KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Изменение среднего расстояния между вершинами дендритов цинка во времени в разных режимах задания потенциала. Цифрами на графике обозначены значения скважности.

Скачать (53KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимость диаметра вершин дендритов от скважности.

Скачать (40KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Изменение плотности рыхлого осадка цинка по его толщине. Цифрами на графике обозначены значения скважности. Маркеры – экспериментальные значения, полученные по уравнению (26) с использованием опытных значений y, CedZn и QZn; линии – аппроксимация по уравнению (30).

Скачать (67KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Изменение соотношения между катодным и анодным количествами электричества во времени электролиза. Цифрами на графиках обозначены значения скважности.

Скачать (84KB)
Метаданные
14. Рис. 13. Микрофотографии рыхлых осадков цинка, полученных в потенциостатическом (а) и импульсном режиме (30 с / 30 с, С = 2) (б). Время осаждения 10 мин.

Скачать (422KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024