Nghiên cứu điều chế và tính chất điện hóa của lớp phủ composite Niken-Coban bằng phương pháp điện hóa

Nghiên cứu điều chế và tính chất điện hóa của lớp phủ composite Niken-Coban bằng phương pháp điện hóa

MỤC LỤC

Trang

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu về Niken ……… 2

1.1.1 Lịch sử về Niken ……… 2

1.1.2 Vài nét chung và ứng dụng của Niken ……… 2

1.1.3 Tính chất hoá học của Niken ……… 4

1.2 Giới thiệu về Coban 5

1.2.1 Tính chất chung của Coban 5

1.2.2 Trạng thái tồn tại của Coban 6

1.3 Giới thiệu về Nhôm oxit 6

1.4 Lý thuyết về công nghệ mạ điện ……… 7

1.4.1.Sự hình thành lớp mạ điện ……… 7

1.4.2 Cơ chế tạo thành lớp mạ điện ……… 9

1.4.2.1 Điều kiện xuất hiện tinh thể ……… 9

1.4.2.2 Quá trình hình thành và tổ chức tinh thể ……… 10

1.4.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạ điện ……… 12

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện cực ……… 12

1.4.3.1 Điều kiện phóng điện đồng thời của các ion kim loại ……… 12

1.4.3.2 Ảnh hưởng của chế độ mạ ……… 13

1.4.3.3 Thành phần chất điện giải ……… 14

1.4.3.4 Chất dẫn điện ……… 14

1.4.3.5 Chất đệm ……… 14

1.5 Mạ Niken – Coban ……… 14

1.5.1 Mạ Niken ……… 14

1.5.2 Mạ Coban ……… 19

1.6 Mạ composite ……… 20

CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Các phương pháp nghiên cứu ……… 22

2.1.1 Phương pháp dòng- thế tuần hoàn 22

2.1.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X ……… 24

2.1.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM và phân tích EDX …… 26

2.1.4 Đo từ độ bão hòa ……… 27

2.2 Thực nghiệm ……… 27

2.2.1 Dụng cụ và thiết bị ……… 27

2.2.2 Hoá chất 29

2.2.3 Nội dung đề tài ……… 29

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Điều kiện phóng điện đồng thời của Ni – Co ……… 31

3.2 Lớp phủ hợp kim ……… 32

3.2.1.Ảnh hưởng của một số yếu tố đến thành phần lớp phủ hợp kim 32

3.2.1.1 Ảnh hưởng tỉ lệ nồng độ mol/lít Ni2+:Co2+ đến thành phần lớp phủ hợp kim ……… 32

3.2.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần lớp phủ hợp kim …… 33

3.2.2 Đánh giá tính chất của lớp phủ Ni-Co ……… 34

3.2.2.1 Đánh giả khả năng dẫn điện trong dung dịch Feroferi kalixyanua 34 3.2.2.2 Đánh giá tính chất lớp phủ Ni-Co trong môi trường kiềm ………

36 3.2.2.3 Đánh giá độ bền của lớp phủ Ni-Co trong NaCl ………

38 3.3 Lớp phủ composite Niken – Coban ……… 39 3.3.1.Ảnh hưởng của một số yếu tố đến thành phần lớp phủ composite

…

39

3.3.1.1 Đánh giá ảnh hưởng của Al2O3 đến thành phần lớp phủ composite

39

3.3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thành phần lớp phủ composite …… 423.3.2 Đánh giá tính chất của lớp phủ composite Ni-Co-Al2O3

…………

44

3.3.2.1 Đánh giá khả năng dẫn điện trong dung dịch Feroferi kalixyanua 443.3.2.2 Đánh giá tính chất của lớp phủ composite trong môi trườngkiềm

45

3.3.2.3 Đánh giá độ bền của lớp phủ composite trong môi trường NaCl 473.4 Đánh giá từ tính của lớp phủ hợp kim và lớp phủ composite ……… 503.5 Khả năng xúc tác oxi hóa điện hóa etanol trong môi trường kiềm của

3.5.1 Khả năng xúc tác của lớp phủ compositecho quá trình oxi hóa điệnhóa etanol trong môi trường kiềm ……… 523.5.2 Ảnh hưởng của nồng độ etanol đến khả năng xúc tác của lớp mạcomposite Ni-Co-Al2O3 ……… 54

Do những đặc tính quan trọng của Niken nên mạ Niken được sử dụngrộng rãi trong ngành công nghiệp vật liệu cũng như xúc tác Hàng năm có

khoảng 15 – 20% lượng Niken trên thế giới được dùng cho công nghiệp mạ

và có khoảng 80% Niken dung cho luyên kim Các lớp mạ Niken thườngđược dùng để mạ trang thí, mạ trang trí – bảo vệ, tuy nhiên lớp mạ nikenthường bị lỗ rỗ làm giảm khả năng chống ăn mòn cũng như bảo vệ của vậtliệu Thêm vào đó lớp mạ Niken thường không được cứng nên người tathường mạ hợp kim Niken cũng với một số kim loại khác như Cu, Cr, Co ….hoặc mạ composite với các hạt trơ nhằm tăng khả năng chống ăn mòn cũngnhư tính chất lí hóa của lớp mạ

Các hợp kim Niken – Coban có các đặc tính lí hóa quan trọng khiếnchúng được sử dụng rộng rãi trong hàng loạt các ứng dụng khác nhau Hiệnnay với sự phát triển của ngành vật lí và mạ điện hóa, vật liệu Niken – Coban

có nhiều ứng dụng mới như làm băng thu âm từ, lớp mạ composite, khả năngchống ăn mòn

Ở Việt Nam hiện nay chưa có tác giả nào nghiên cứu về hợp kim cũngnhư composite Niken-Coban, mặt khác các tác giả chỉ quan tam đến các tínhchất vật lí của loại vật liệu này mà chưa chú trọng đến tính chất điện hóa, đặcbiệt là khả năng xúc tác cho một số phản ứng hữu cơ Trên cơ sở đó, để nângcao những hiểu biết cũng như các tính chất của loại vật liệu này, chúng tôi

tiến hành nghiên cứu đề tài: Nghiên cứu điều chế và tính chất điện hóa của lớp phủ composite Niken-Coban bằng phương pháp điện hóa.

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN1.1 Giới thiệu về Niken [1, 5, 6, 8, 9, 10]

1.1.1 Lịch sử về Niken

Niken là kim loại đã được sử dụng từ rất lâu, có thể từ năm 3500 trướcCông nguyên Quặng đồng được tìm thấy ở Syria có chứa niken đến 2%.Ngoài ra có nhiều văn bản cổ của Trung Quốc nói rằng loại "đồng trắng" này

đã được sử dụng ở phương Đông từ những năm 1700 đến 1400 trước Côngnguyên Tuy nhiên, vì quặng niken dễ bị nhầm lẫn với quặng bạc nên bất kỳ

những hiểu biết về kim loại này hay thời gian sử dụng chúng cũng có thể chưađược chính xác.

Năm 1751, Baron Axel Frederik Cronstedt cố gắng tách đồng từ

kupfernickel (hiện nay gọi là niccolit), nhưng thu được một kim loại trắng mà

nhờ đó ông đã tìm ra Niken Tiền xu đầu tiên bằng niken nguyên chất đượclàm vào năm 1881

1.1.2 Vài nét chung và ứng dụng của Niken

Niken là một kim loại màu trắng bạc, bề mặt bóng láng Niken nằmtrong nhóm sắt từ Đặc tính cơ học của kim loại này: cứng, dễ dát mỏng và dễuốn, dễ kéo sợi Trong tự nhiên, niken xuất hiện ở dạng hợp chất với lưu

huỳnh trong khoáng chất millerit, với asen trong khoáng chất niccolit, và với

asen cùng lưu huỳnh trong quặng niken.

Niken có hai dạng thù hình:  - Ni lục phương bền ở dưới 2500C và 

-Ni lập phương tâm diện bền ở trên 2500C Niken là một trong năm nguyên tốsắt từ Niken chủ yếu dùng trong sản xuất các hợp kim: hợp kim từ, hợp kimchịu nhiệt, hợp kim có tính chất đặc biệt

Hợp kim chịu nhiệt quan trọng của Ni là nimonic, inconen, kacten, có

hơn 60% là Ni, 15%-20% là crom, còn lại là các kim loại khác, chủ yếu sửdụng trong tuabin và động cơ phản lực hiện đại mà nhiệt độ có thể lên tới

900oC

Hợp kim từ quan trọng nhất của Ni là pecmaloi với 78.5% Ni, 21.5% Fe,

có độ thẩm từ rất cao nên có khả năng từ hoá mạnh ngay cả ở trong từ trườngyếu

Hợp kim có tính chất đặc biệt là monen, nikenlin, contantan, inva,

platinit,v.v Monen chứa 30% Cu được dùng rộng rãi trong chế tạo thiết bịnhờ ưu việt hơn Ni về tính cơ học trong khi độ bền ăn mòn lại không thua

kém Ni Nikenlin và contantan cũng là hợp kim của Ni với Cu, có điện trởcao, hầu như không thay đổi theo nhiệt độ, được sử dụng rộng rãi trong thiết

bị đo điện Inva chứa 64% Fe, 36% Ni, thực tế không giãn nở khi đun nóngđến 100oC, được dùng chủ yếu trong kỹ thuật điện, vô tuyến và chế tạo máyhoá chất Hợp kim Platinit của Fe và Ni có hệ số giãn nở giống thuỷ tinh nênđược dùng hàn đầu tiếp xúc giữa kim loại và thuỷ tinh

Ngoài ra phụ gia Niken trong thép làm tăng độ dai và độ bền cho thép

Ni còn được dùng làm pin sạc, pin niken kim loại hidrua (Ni-MH), pin Ni-Cd.Đặc biệt Ni còn được dùng làm xúc tác cho quá trinh hiđro hóa (no hóa) trongcác phản ứng hữu cơ

Bảng 1: Các hằng số vật lí đặc trưng của Niken

2 Năng lượng ion hoá E  E+ (eV) 7,63

3 Năng lượng ion hoá E+  E2+ (eV) 18,15

4 Năng lượng ion hoá E2+  E3+ (eV) 35,16

1.1.3 Tính chất hoá học của Niken

Niken là kim loại trung bình, ở điều kiên thường, không có hơi ẩmniken không tác dụng với những phi kim như O2, Cl2, Br2… nhưng khi đunnóng thì phản ứng xảy ra mãnh liệt, nhất là đối với niken dạng bột nghiền

2Ni + O2 2NiO

Niken trong môi trường kiềm

Niken có độ bền cao trong môi trường kiềm bởi khả năng thụ động hoácủa nó Ở điều kiện thường, ta không thể thấy được phản ứng của niken vớikiềm nhưng trên thực tế thì niken tác dụng ngay với OH- theo phản ứng:

Ni(OH)2 + 2e Ni + 2OH- Eo = -0,69VMàng Ni(OH)2 tạo ra phủ trên bề mặt niken kim loại ngăn cản khôngcho niken kim loại tiếp tục phản ứng với OH- nên chúng ta không thể quan sátđược phản ứng Ta thường nói niken kim loại bị thụ động trong môi trườngkiềm

Khi phân cực anốt niken trong môi trường kiềm với dòng áp vào đủ lớnthì niken vượt qua trạng thái thụ động và Ni(OH)2 chuyển thành NiOOH theophản ứng:

NiOOH + H2O + 1e Ni(OH)2 + OH

-Màng NiOOH cũng có tác dụng bảo vệ nên ta cũng không thể quan sátđược phản ứng mà chỉ thấy được một lớp vàng nâu mỏng của NiOOH trên bềmặt niken

Một vài giá trị thế điện cực tiêu chuẩn của niken được liệt kê dưới đây:

1.2 Giới thiệu về Coban [5, 8, 10]

1.2.1 Tính chất chung của Coban

Coban là kim loại màu trắng xám, cứng, có nhiệt độ nóng chảy tnc =

1495oC, và nhiệt độ sôi ts = 2900oC Cũng như sắt, coban là kim loại hoạt

động bình thường, thể hiện nhiều mức oxi hóa, trong đó mức oxi hóa đặctrưng là Co+2 và Co+3

Hơn 3/4 lượng coban được sản xuất dùng để chế tạo thép và hợp kimđặc biệt Thép chứa coban có độ cứng và tính chịu mài mòn cao nên loại thépnày thường dùng để chế tạo các dụng cụ cắt gọt khác nhau Một số hợp kimcủa coban còn được dùng trong công nghiệp quốc phòng và kỹ thuật tên lửa

9 Độ âm điện (theo Pauling) 1,7

Coban là vật liệu sắt từ, nhiều hợp kim của coban cũng có tính sắt từ.Hợp chất giữa các kim loại của coban và samari (SmCo5) và một số kim loạiđất hiếm khác được dùng làm vật liệu chế tạo nam châm vĩnh cửu mạnh

1.2.2 Trạng thái tồn tại của Coban

Coban có hai dạng thù hình, ở điều kiện thường đến 417oC tồn tại ởdạng α) + 2e - Co, dạng α) + 2e có mạng tinh thể lục phương ( a = 2,5063 Ao, c= 4,0795

Ao); còn ở khoảng 480oC tồn tại ở dạng β - Co, dạng β có mạng lập phươngtâm diện (a=3,5441 Ao)

Hàm lượng coban trong vỏ trái đất tương đối ít Khoáng vật quan trọngcủa coban là quặng cobantin (CoAsS) Coban tồn tại lẫn với các kim loại khác

như Cu, Ni, Ag, Fe, Mn trong các quặng đa kim Trong đá thiên thạch, hàmlượng coban khoảng 0,01%, nhưng trong các thiên thạch coban chiếm 0,5%

Coban nằm trong số những nguyên tố quan trọng với con người,vitamin B12 hay cobanamin là phức chất của coban có chứa 4,5% Co về khốilượng, phức chất này được dùng đề chữa bệnh thiếu máu Trong nước biểncoban chiếm một lượng rất nhỏ, khoảng 5.10-8% (5.10-3 mg/l)

Coban có tám đồng vị từ 54Co đến 61Co nhưng chỉ có 59Co là đồng vịthiên nhiên 100%, số đồng vị còn lại đều là đồng vị phóng xạ trong đó bềnnhất là 60Co, có chu kỳ bán hủy là 5,2 năm, kém bền nhất là 54Co với chu kỳbán hủy là 0,18 giây

1.3 Giới thiệu về Nhôm oxit [3, 5, 8, 10]

Nhôm oxit tồn tại ở nhiều dạng thù hình khác nhau như các dạng α) +

2e-Al2O3, β- Al2O3, γ- Al2O3, nhôm oxit có cấu trúc tinh thể khác nhau và phụthuộc vào điều kiện điều chế, trong đó dạng α) + 2e -Al2O3 là bền nhất

α) + 2e-Al2O3 là chất rắn tinh thể hình mặt thoi (tức hình romboet thuộc hệlục phương) Có thể xem mạng tinh thể α) + 2e-Al2O3 là mạng tinh thể phân tử, tạimắt mạng lưới là những phân tử Al2O3 Trong mạng tinh thể mỗi nguyên tử

Al được bao quanh bởi 6 nguyên tử O và mỗi nguyên tử O được bao quanhbởi 4 nguyên tử Al Trong mỗi tế bào nguyên tố được phân bố bởi một phân

tử Al2O3, khoảng cách giữa hai nguyên tử Al là 1,36 Ao, còn khoảng cách giữanguyên tử Al và O là 1,99 Ao

α) + 2e-Al2O3 có khối lượng riêng D = 3,99 g/cm3 Trong thiên nhiên, α) +

2e-Al2O3 thường ở dạng khoáng vật có tên là corundum chứa 90% oxit, thườngchứa tạp chất nên đều có mầu Đá xaphia là corundom tinh khiết chứa Fe2+,

V4+ ; đá rutin (hồng ngọc) màu đỏ là corundum chứa vết Cr3+ Hiện nay cácloại hồng ngọc đó đã được điều chế nhân tạo bằng cách nấu chảy Al2O3 rồi

cho thêm tạp chất thích hợp, sau đó cho kết tinh thành đơn tinh thể Loại ngọcđược điều chế bằng cách nhân tạo này có tính chất tốt hơn ngọc thiên nhiên.

Loại corundum thiên nhiên có nhiệt độ nóng chảy cao (2050oC) và rấtcứng, nên được dùng làm đá mài Ở dạng bột tán nhỏ gọi là bột nhám, dùngđánh sạch bề mặt kim loại, làm chân kính đồng hồ, làm trục quay trong một

số máy chính xác

Corundom rất trơ về mặt hóa học, không tan trong nước, trong axit vàtrong kiềm Khi nung đến 1000oC, α) + 2e-Al2O3 phản ứng mạnh với hidroxit,cacbonat, hidrosunfat … của các kim loại kiềm nóng chảy

Một số dạng thù hình khác của nhôm oxit có dạng tinh thể lập phương

là γ- Al2O3, dạng này không tồn tại trong thiên nhiên và tạo nên khi nung tinhthể hidraglit Al(OH)3 hoặc nung bemit, hoặc nung Al(OH)3 vô định hình ởkhoảng 500oC Khi nung đến 1000oC chuyển thành dạng α) + 2e-Al2O3

1.4 Lý thuyết về công nghệ mạ điện [2, 3, 4, 6, 7]

1.4.1.Sự hình thành lớp mạ điện

Mạ điện có thể hiểu đơn giản là quá trình kết tủa kim loại lên bề mặtnền tạo thành một lớp phủ có các tính chất cơ lý hóa … đáp ứng yêu cầu kĩthuật (ví dụ phủ kim loại niken trên nền kim loại thép, phủ kẽm trên nền kimloại thép hoặc phủ một lớp hợp kim đồng – kẽm trên nền thép… nhằm mụcđích trang trí làm đẹp các chi tiết cũng như tăng độ bền chống ăn mòn của chitiết, các thiết bị…) Lớp mạ Cu, Ni, Cr trên thép có thể làm đẹp các chi tiếtbằng thép (ví dụ mạ trên vành xe đạp, các chi tiết ôtô, các dụng cụ, hoặc mạkẽm các ốc vít, nan hoa xe đạp, xe máy, nhằm mục đích vừa làm đẹp vừachống lại sự ăn mòn)

Mạ điện thực chất là quá trình điện phân : trên anốt xảy ra quá trình hòatan kim loại để trở thành ion, các ion kim loại theo chiều của dòng điện dịchchuyển đến catốt, phóng điện kết tủa trở thành kim loại bám lên điện cực.

Trong thực tế, quá trình kết tủa kim loại từ dung dịch nước thườngđược tiến hành trong các dung dịch muối đơn hoặc phức và nói chung baogồm các giai đoạn sau :

[Me(H2O)x]z +

dich dung [Me(H2O)x]z +

kep lop

[Me(H2O)x]z +

dich dung [Me(H2O)x]z +

kep lop

[Me(H2O)x]z +

kep lop Mez+ + xH2O

Khi cho dòng điện một chiều đi qua dung dịch, trên bề mặt các điện cực diễn ra các quá trình sau :

Tại anốt (+) : Me – ne Men+

Tại catốt (-) : Men+ + ne MeĐồng thời, điện thế catốt (cực âm) trở nên âm hơn, điện thế anốt (cựcdương) trở nên dương hơn Hiện tượng điện thế điện cực bị dịch chuyển khỏigiá trị cân bằng như thế gọi là sự phân cực điện cực, gọi tắt là sự phân cực, vàđược biểu diễn như sau :

Nếu sự phân cực điện cực luôn kèm theo phản ứng xảy ra trên bề mặtđiện cực thì độ phân cực đó được gọi là quá thế.

Quá thế có quan hệ mật thiết với mạ và quyết định :

+ Được lớp mạ kết tinh mịn

+ Khả năng phân bố tốt, lớp mạ phân bố đồng đều

+ Làm cho hiđrô thoát ra mạnh, làm giảm hiệu suất dòng điện và độbám chắc lớp mạ Khi nghiêm trọng có thể gây ra bọt khí, tróc lớpmạ…

1.4.2 Cơ chế tạo thành lớp mạ điện

1.4.2.1 Điều kiện xuất hiện tinh thể

Cũng như các quá trình kết tinh từ dung dịch quá bão hòa, từ chất nóngchảy…, động học quá trình điện kết tủa kim loại cũng bị chi phối bởi hai yếu

tố tốc độ tạo mầm kết tinh và tốc độ phát triển mầm

Trường hợp kết tinh từ dung dịch quá bão hòa thì yếu tố quyết định tốc

độ xuất hiện mầm tinh thể là độ quá bão hòa của dung dịch quyết định Trongtrường hợp điện kết tủa kim loại trên catốt, yếu tố quyết định tốc độ xuất hiệnmầm tinh thể β là tỉ số giữa mật độ dòng catốt và mật độ dòng trao đổi io :

β = 0

c

i i

Nếu β lớn tốc độ tạo mầm lớn sẽ cho tinh thể nhỏ mịn, sít chặt Ngượclại, nếu β nhỏ tốc độ phát triển mầm lớn hơn sẽ cho tinh thể thô to, xốp

Khi đó ta thấy vì mật độ dòng điện trao đổi io phụ thuộc vào bản chấtkim loại nên ở cùng mật độ dòng ic thì kim loại nào có io bé hơn cho lớp mạ

có tinh thể nhỏ mịn và ngược lại Đối với cùng một kim loại io = const, nếutăng mật độ dòng catốt trong một giới hạn nào đó ta cũng thu được tinh thểnhỏ mịn

1.4.2.2 Quá trình hình thành và tổ chức tinh thể

* Hình thành tinh thể:

Không phải mọi mầm tinh thể sinh ra đều được phát triển thành tinhthể, chỉ những mầm có kích thước lớn đến một ngưỡng nào đó mới có khảnăng phát triển tiếp thành tinh thể Để đạt hoặc vượt ngưỡng đó cần phải cóquá thế bổ sung, khi tinh thể lớn lên không cần quá thế bổ sung nữa vì bề mặt

những biện pháp thường dùng làm tăng phân cực catốt Nếu nồng độ chấthoạt động bề mặt thích hợp và mật độ dòng đủ lớn, kết tủa sẽ gồm các tinh thểnhỏ mịn, chất lượng lớp mạ sẽ tốt.

Ví dụ trong mạ niken chất hoạt động bề mặt thường dùng là keo da,axit boric …

Cách sắp xếp tinh thể: Nếu tinh thể sinh ra và sắp xếp bố trí hỗn độntrong kết tủa thì lớp mạ thường có chất lượng thấp mặc dù kích thước tinh thểkhá nhỏ

Bằng những điều kiện điện phân thích hợp hoàn toàn có thể làm chocác tinh thể phải sắp xếp theo một hướng nhất định nào đó Mức độ địnhhướng có trật tự càng cao thì tổ chức tinh thể càng hoàn chỉnh và có ảnhhưởng rõ rệt đến độ bóng, độ cứng, hoạt tính xúc tác, từ tính, độ giãn nở nhiệt

… của lớp mạ

Thay đổi điều kiện điện phân, nhất là mật độ dòng phân cực catốt, chấthoạt động bề mặt sẽ điều khiển được tổ chức tinh thể theo ý muốn Tuy nhiên

sự điều khiển này là khá phức tạp

1.4.2.3 Sơ đồ nguyên lý mạ điện

1 Bình điện phân

2 Dung dịch điện phân

3 Anốt (anốt trơ hoặc kim loại cần

mạ lên catốt)

4 Catốt (vật cần mạ)

5 Biến trở

6 Vôn kế

7 Ampe kế

8 Nguồn điện một chiều

Hình 2 : Sơ đồ nguyên lý mạ điện

1.4.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình điện cực

1.4.3.1 Điều kiện phóng điện đồng thời của các ion kim loại

Khi kết tủa hai kim loại M1 và M2 thành hợp kim M1 – M2 Hợp kimnày có thể là dung dịch rắn, hợp chất hóa học, hỗn hợp cơ học …và thànhphần tỉ lệ của nó có thể thay đổi nếu điều kiện điện phân biến động Như vậykhi mạ điện hợp kim, các ion kim loại M1 (hoặc M2) không phóng điện trênnền kim loại M1 (hoặc M2) mà là trên nền hợp kim M1 – M2 (luôn có khả năngbiến động về thành phần)

Do bản chất nền thay đổi và trạng thái bề mặt thay đổi khi mạ hợp kim

có thể làm thay đổi quá thế và tốc độ phóng điện tương đối của các cấu tử sovới khi mạ kim loại

Điều kiện điện hóa cơ bản để hai hay nhiều ion kim loại cùng phóngđiện đồng thời trên catốt và tạo thành hợp kim là điện thế phóng điện Ep củachúng phải bằng nhau:

Ep1 = Ep2 hay Ecb1 - E1 = Ecb2 - E2

E p : Điện thế phóng điện (hay phân cực) E cb : Điện thế cân bằng

0

a: Hoạt độ của ion kim loại n: Số electron trao đổi

T: Nhiệt độ tuyệt đối Kelvin (K) R: Hằng số khí(8,314kJ/mol.K) F: Hằng số Faraday (96500 c)

Muốn điều chỉnh thế phóng điện Ep của hai hay nhiều ion kim loại trởlên bằng nhau phải thay đổi cả điện thế cân bằng Ecb ( điều kiện nhiệt động)lẫn độ phân cực E (điều kiện động học) của chúng Cụ thể phải tìm các biệnpháp thay đổi một hay nhiều thông số cấu thành sao cho hai vế của phươngtrình (*) bằng nhau

1.4.3.2 Ảnh hưởng của chế độ mạ

- Ảnh hưởng của mật độ dòng

Độ dốc (J/E) của các đường cong phân cực riêng phần của các cấu

tử thường khác nhau nên khi tăng mật độ dòng điện (MĐDĐ) mạ (Jc), thì tốc

độ phóng điện của từng cấu tử tăng không bằng nhau Cấu tử nào ít phân cựchơn,khi tăng MĐDĐ mạ sẽ phóng điện nhanh hơn và thành phần của nó tronghợp kim tăng lên

- Ảnh hưởng của khuấy trộn

Cấu tử nào nghèo hơn trong dung dịch mạ hợp kim (thường là cấu tửdương hơn) thì khi kết tủa đồng thời kim loại dương hơn sẽ phóng điện vớitốc độ lớn hơn cho nên tốc độ phóng điện của nó thường bị khống chế bởikhuếch tán, khuấy dung dịch để tăng khuếch tán thì thành phần của nó tronghợp kim sẽ tăng lên

- Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ thường làm tăng tốc độ phản ứng điện cực hay làm giảm phâncực catôt Nguyên nhân vì khi nhiệt độ tăng mức độ khuếch tán, khử hydrat,khử hấp phụ… Nhưng mức độ tăng giảm không giống nhau đối với từng loạiion, vì thế khi tăng nhiệt độ, ion nào có khả năng khử phân cực nhiều hơn thìtốc độ phóng điện sẽ tăng nhanh hơn và thành phần của nó trong hợp kim sẽtăng lên

1.4.3.3 Thành phần chất điện giải

Chất điện giải có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phóng điện và đặcbiệt là chất lượng lớp mạ Chất điện giải dùng trong mạ điện thường là dungdịch nước của muối đơn hay muối phức Thành phần của nó còn có thêm chấtdẫn điện, phụ gia, tạo bóng…

1.4.3.4 Chất dẫn điện

Để tăng độ dẫn điện cho chất điện giải, người ta thường pha thêm vàocác chất dẫn điện Các chất này không tham gia vào quá trình catốt mà chỉđóng vai trò chuyển điện tích trong dung dịch, làm giảm điện trở bể mạ, do đógiảm nhiệt thoát ra, cho phép dùng dòng điện mạ cao hơn

1.4.3.5 Chất đệm

Nhiều dung dịch mạ chỉ làm việc được trong một khoảng pH nhất định,nên phải dùng chất đệm thích hợp để khống chế pH Các chất đệm thườngdùng là axit yếu như boric, acetic, citric… hoặc các muối như amoni, acetate,

Al2(SO4)3… Mỗi chất đệm có tác dụng ổn định pH trong một khoảng nhấtđịnh Đệm tốt sẽ tránh được dung dịch bị đục do sinh ra hiđroxit khi pH lênquá cao hoặc thoát nhiều khí H2 ở catốt khi pH xuống quá thấp Các hiđroxithoặc khí hiđro sinh ra lẫn vào lớp mạ, làm giảm chất lượng của nó

1.5 Mạ Niken – Coban [2, 3, 4]

1.5.1 Mạ Niken

Mạ niken hoá học thường cho lớp mạ dày và đều ngay cả trên nhữnghình thù phức tạp So với lớp mạ niken điện hoá, lớp mạ niken hóa học có độcứng, độ chịu mài mòn cao hơn, vì vậy nó thường được ứng dụng để mạ chonhững vật làm việc trong những điều kiện khắc liệt

Niken là kim loại nhóm sắt ( Fe, Co, Ni), có từ tính Về mặt điện hoáchúng có chung đặc điểm sau:

+ Dòng điện trao đổi i0 bé, nên theo phương trình  = Jc/i0 thì  sẽrất lớn nên tốc độ tạo mầm tinh thể sẽ rất nhanh do đó kích thước tinhthể trong lớp mạ sẽ rất nhỏ mịn ( cỡ 10-3 – 10-6cm ).

+ Phân cực catot rất lớn ngay cả khi kết tủa từ dung dịch muối đơn,nên lớp mạ có cấu trúc tinh thể rất nhỏ mịn Nguyên nhân gây phân cựccatot lớn là do năng lượng hyđrat hoá của ion Ni2+ rất lớn ( nên phóngđiện chậm) và do quá thế kết tinh không lớn

+ Quá thế thoát hyđro trên kim loại Ni bé nên hyđro dễ thoát ra

Do các đặc điểm trên, mạ niken từ dung dịch đơn đã cho lớp mạ khánhỏ mịn, Vì thế không mấy khi phải dùng tới dung dịch mạ phức Do hai đặcđiểm cuối mà quá trình mạ niken rất nhạy với nồng độ H+ và nhiệt độ củadung dịch

Các dung dịch mạ Ni thường là: sunfat, sunfat-clorua, clorua, sunfamat,floborat trong đó dung dịch sunfat dùng phổ biến nhất

Mạ Niken từ dung dịch sunfat:

Dung dịch cơ bản để mạ Ni gồm có Niken sunfat, một ít Niken clorua

và chất đệm Dung dịch nổi tiếng do Watts đề nghị và được dùng rộng rãi là:

ít ăn mòn thiết bị Nồng độ của nó trong dung dịch mạ cho phép dao động khárộng vẫn thu được lớp mạ tốt như nhau Nhưng vì Jgh catốt tỉ lệ thuận với hoạt

độ ion phóng điện trong lớp sát catốt nên khi cần mạ nhanh, dùng mật độdòng Jc lớn thì nồng độ Ni2+ tự do (tức hoạt động) trong dung dịch phải lớn

Muốn vậy phải dùng nồng độ Niken sunfat lớn Nồng độ cao còn tăng độ dẫnđiện của dung dịch, giảm được điện thế của bể, góp phần cải thiện khả năngphân bố cho dung dịch Trong trường hợp mạ Niken, phân cực catốt khônggiảm đi bao nhiêu khi tăng nồng độ, vì kim loại nhóm sắt vốn có quá thế hoáhọc rất lớn, chiếm phần chủ yếu trong phân cực anốt Nhưng dùng nồng độ

Ni2+ bé quá, lớp mạ dễ bị cháy ngay từ khi Jc còn chưa cao lắm

giúp anốt dễ tan hơn, tránh thụ động anốt Nó còn làm tăng độ dẫn điện củadung dịch, tăng hiệu suất dòng điện catốt (Jc/φc, do đó đã làm tăng khảnăng phân bố lên Hiện tượng này đặc biệt rõ khi trong dung dịch clorua(không có mặt ion sunfat), ion clorua cũng làm tăng hệ số khuyêch tán củaion Ni2+, nên Jgh được tăng lên Ion clorua đưa vào bể dưới dạng NiCl2, hoặcNaCl Dùng muối ăn rẻ và sẵn hơn NiCl2 màvẫn thoả mãn hầu hết các yêucầu nói trên Tuy nhiên cũng có ý kiến cho rằng ion Na+ có tác hại đến cácphụ gia hữu cơ trong dung dịch Thực ra ý kiến này chưa thực sự xác đánglắm, vì rất nhiều hợp chất hữu cơ được dùng làm phụ gia cũng có chứa natritrong phân tử của chúng

Axit boric: Ta biết rằng điện thế tiêu chuẩn của Niken Eo = -0.25V, củahydro Eo = 0.00V, nên về mặt nhiệt động học hydro sẽ ưu tiên phóng điện trêncatốt hơn Niken, nếu hoạt độ của chúng đều bằng 1 Thế nhưng hiệu suấtdòng điện mạ Ni từ dung dịch Watts thường vẫn đạt khoảng 95%, đó là vìdung dịch này đã dùng hoạt độ của Ni2+(~1 ion-g/l) lớn hơn hoạt độ của H+

( 10-3 -10-6 ion –g/l) rất nhiều nên điện thế thuận nghịch của hydro trở nên âmhơn (từ -0.18V đến -0.36V), lượng khuếch tán của ion H+ vào catốt sẽ bé hơn,làm cho hydro trở nên khó phóng điện hơn Nhưng vì quá thế của hydro trênNiken bé nên vẫn tiềm ẩn khả năng phóng điện của hydro mỗi khi có điềukiện thuận lợi như khi dùng Jc lớn, pH thấp cho nên một trong những yếu tố

quan trọng trong mạ Niken là độ pH: pH thấp quá hydro sẽ thoát ra dễ dàng,làm giảm hiệu suất dòng điện, gân rỗ, châm kim cho lớp mạ, thấm vào kimloại gây dòn hydro, lớp mạ trở nên cứng và dễ bong, pH lớn quá dễ sinh keoNiken hidroxit (nhất là taị lớp dung dịch sắt catốt) lẫn vào lớp mạ sinh gai,sùi, tăng ứng suất nội…cũng làm hỏng hớp mạ Cho nên không được phép để

pH >6 (vì Niken hidroxit sinh ra tại pH=6.3) Dùng chất đệm axit boric

H3BO3 sẽ cho phép giữ được pH ổn định trong khoảng 4 - 4,5 tại lớp dungdịch sát catốt nên tránh được các hiện tượng hư hỏng do không giữ đúng pHgây ra Vì vậy khi có H3BO3 lớp mạ sẽ không vị rỗ, thủng , cứng mà trở nên

dẻo, nhẵn và trắng hơn.

Có thể dùng các chất đệm khác như axetat, format … nhưng dung dịch Wattscho H3BO3 vì ngoài những ưu điển trên nó cũng là một hoá chất ổn định,không bay hơi, không chảy nước, dễ làm tinh khiết và tương đối rẻ …

Chất chống rỗ: Tuy hiệu suất dòng điện mà Ni khá cao ( ~95%),

nhưng hydro vẫn còn cơ hội được giải phóng (~5%), Khi các bọt hydro hìnhthành và bám lên catốt trong thời gian mạ sẽ cản trở quá trình kết tủa tại đó,làm cho lớp mạ bị thủng và rỗ Muốn chống rỗ cho lớp mạ cần đưa vào dungdịch chất thấm ướt loại anion, không ảnh hưởng gì đến độ dẻo và ứng suất nộicủa lớp mạ, ví dụ như natri laurylsunfat …

Để chống rỗ cho lớp mạ Ni mờ thường dùng H2O2 vì nó có tác dụngtăng phân cực catốt nên bọt hydro dễ bong ra, đồng thời nó còn oxi hoá cáctạp chất hữu cơ trong dung dịch, cho nên nếu dùng đúng quy cách sẽ được lớp

mạ Ni mờ rất dẻo Hằng ngày bổ sung 0,5 ml H2O2 30% cho mỗi lít dung dịch

mạ là tốt nhất Nếu dùng dư nhiều H2O2 lớp mạ dễ bị dòn, ứng suất nội tăngvọt, mật độ dòng điện giới hạn giảm, mạ dễ bị cháy Cần đặc biệt chú ý không

để dầu mỡ tạp chất hữu cơ lẫn vào dung dịch mạ quá nhiều vì chúng có thểlàm mất tác dụng của H2O2 hoặc chất thẩm ướt

Chế độ mạ: Mật độ dòng điện, nhiệt độ, pH, cường độ khuấy hoặc sự

chuyển động tương đối giữa dung dịch và catốt cũng đều ảnh hưởng mạnhđến lớp dung dịch sát catốt và do đó sẽ ảnh hưởng đến chất lượng lớp mạ.Những yếu tố này quan hệ qua lại mật thiết với nhau và với thành phần dungdịch: nếu chỉ thay đổi đơn độc môt yêu tố mà giữ nguyên các yêu tố khác thì

sẽ không đem lại kết quả mong muốn

Mật độ dòng điện còn ảnh hưởng đến hiệu suất dòng điện và do đó sẽảnh hưởng đến khả năng phân bố của dung dịch Nhưng ở những dung dịch

có pH lớn do mật độ dòng điện không ảnh hưởng gì lắm đến hiệu suất dòngđiện nên phân bố kim loại gần giống như phân bố dòng điện

Nhiệt độ dung dịch tăng sẽ làm giảm quá thế hydro, nhưng quá thế Nicòn giảm nhiều hơn nên hiệu suất dòng điện vẫn tăng, nhất là dung dịch có

pH bé Ở nhiệt độ cao, tốc độ khuếch tán lớn, hạn chế sự kiềm hóa trong lớpdung dịch sát catốt, tạo điều kiện cho phép dùng Jc cao hơn, đồng thời anốtkhó thụ động hơn Hiệu suất dòng điện anốt cao hơn Tuy nhiên ở nhiệt độcao, do phân cực catốt giảm nên chất lượng mạ giảm nếu không đồng thời ápdụng các điều kiện khác để cho độ phân cực vẫn giữ nguyên giá trị cũ

Khuấy dung dịch hoặc cho catốt chuyển động là để đảm bảo khuếch tánkịp thời ion Ni2+ và lớp sát catốt, tránh hiện tượng kiềm hóa xẩy ra ở đấy, tạokhả năng dùng Jc lớn hơn Khuấy cũng là để đảm bảo cung cấp đều đặn cácphụ gia vi lượng vào sát catốt một cách thường xuyên nên hiệu quả của chúngtăng lên rõ rệt hơn

Hạ thấp pH: ngoài những ảnh hưởng đã xét còn có tác dụng mở rộngphạm vi làm việc của Jc cho lớp mạ nhẵn, mịn Các bể mạ Ni lót có thể dùng

pH từ 1,5 đến 2 để mạ lớp Ni dày 2-3 micromet nhẵn, sáng và bám chắc trênnền thép; còn bể mạ Ni trang sức khác cũng chỉ nên giữ pH<4,5

Hình 3: Sơ đồ bể điện phân

1,7 Anốt Ni 2 Catốt đồng 3.Nguồn một chiều

4 Von kế 5 Biến trở 6 Ampe kế

Phương trình phản ứng xảy ra trong quá trình điện phân :

Điện phân dung dịch NiSO4 với anốt tan Niken

Eo(Ni2+/Ni)= -0,25V ( >-0,41V) nhưng kém hơn thế oxi hóa của nước nhiều:2H 2O – 4e 4H+ + O2 E0= 1,228V

nên ở catốt xuất hiện kết tủa Niken, còn ở anốt điện cực Niken sẽ hòa tan NiSO4

Bottger Độ bền chống ăn mòn của lớp mạ coban phụ thuộc vào tỉ lệ của hai dạngthù hình α) + 2e và β có mặt trong lớp mạ Tùy thuộc vào điều kiện điện phân mà có thểthu được dạng nào chiếm ưu thế hơn trong lớp mạ Mặc dù lớp mạ coban cứng vàchống ăn mòn tốt hơn lớp mạ niken trong một số môi trường nhưng người ta ítdùng vì giá thành lớp mạ coban tương đối đắt.

Coban dễ dàng tạo hợp kim với niken và wonfram bằng phương pháp điệnphân Các lớp mạ Ni-Co và W-Co thu được có nhiều tính chất quý giá, được ứngdụng phổ biến trong thực tế đời sống cũng như trong khoa học kĩ thuật

Trong dung dịch muối đơn Ni và Co có thế điện cực tương đối gần nhau,nên hai kim loại này dễ dàng kết tủa đồng thời tạo thành hợp kim Ni-Co

Coban cũng tạo hợp kim dễ dàng với wonfram bằng con đường điện phân.Lớp mạ W-Co có độ cứng cao và chịu nhiệt tốt, bền trong nhiều môi trường Hợpkim W-Co được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật quân sự

Mạ Coban từ dung dịch sunfat:

1.6 Mạ composite [2, 3]

Mạ composite (hay còn gọi là mạ phức hợp) là công nghệ mạ khi chocác hạt rắn kích thước nhỏ, không hoà tan trong nước vào dung dịch điệnphân làm cho nó kết tủa trên bề mặt kim loại nền cùng với kim loại mạ, kết

quả thu được lớp mạ kim loại có lẫn các hạt rắn giống như vật liệu composite.Kích thước các hạt độn rắn này thường dao động trong khoảng 0,01 - 50 m,hàm lượng khoảng từ 1 đến 50% thể tích Bản chất của kim loại nền và cáchạt phân tán, mối quan hệ số lượng có thể làm thay đổi trong phạm vi rộng,thậm chí còn ấn định cả tính chất đa dạng của lớp phủ Có thể sử dụng các bộtcủa các nguyên tố riêng biệt làm pha phân tán (thí dụ như chất B, C, Si),nhưng thường dùng các hợp chất hoá học trên cơ sở vô cơ hoặc hữu cơ - cáchợp chất khó cháy, độ cứng cao, bền hóa chất Các hạt phân tán mịn thamgia vào thành phần bể mạ nhất thiết phải luôn duy trì ở trạng thái huyền phù(có nghĩa là bể mạ luôn ở thể huyền phù) Tùy theo tính chất và số lượng phaphân tán, lớp mạ composite có thể có những tính chất cao về độ cứng, độ chịumài mòn, chịu nhiệt, bền ăn mòn ở nhiệt độ cao, tính chống ma sát và các đặctính sử dụng cần thiết khác Trong quá trình hình thành lớp mạ composite một

số tính chất được nâng cao như độ cứng, chịu mài mòn, độ bền kéo, bền nén,

độ bền mòn, chịu nhiệt, chịu tải, chịu ma sát,v.v Tính chất lớp mạcomposite phụ thuộc phức tạp vào nhiều yếu tố Nói chung, tính chất của lớp

mạ composite phụ thuộc vào mối quan hệ của các thành phần (nền và thànhphần phân tán), phụ thuộc vào thành phần điện dịch (nồng độ các chất điện li,hàm lượng hạt độn, kích thước hạt độn, pH ), vào giai đoạn xử lí bề mặttrước khi mạ, vào điều kiện điện kết tủa kim loại (mật độ dòng điện, dạngdòng điện, nhiệt độ, tốc độ khuấy trộn, thời gian mạ ) và phụ thuộc cả vàoquá trình gia công tiếp theo - xử lý nhiệt, hợp kim hoá khuyếch tán, chiếulaze Thành phần nền của lớp mạ là yếu tố cơ bản quyết định tính chất lớp

mạ và cả công nghệ mạ cụ thể Tùy theo yêu cầu về lớp mạ khác nhau màchọn thành phần nền thích hợp

Mạ Niken Coban composite được thực hiện trên cơ sở mạ Niken Coban với các hạt rắn được cho vào trong dung dịch mạ Quá trình mạ sửdụng máy khuấy từ để tạo huyền phù.

-CHƯƠNG 2: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.1 Các phương pháp nghiên cứu

2.1.1 Phương pháp dòng- thế tuần hoàn [4, 7]

Phương pháp dòng - thế tuần hoàn (cyclic voltammetry – CV) còn gọi là

phương pháp đo phân cực vòng hay phương pháp vol-ampe vòng quét xungtam giác, được sử dụng để nghiên cứu tính chất điện hoá cũng như động học

và cơ chế phản ứng của chất nghiên cứu trên các điện cực khác nhau Phươngpháp này cho phép áp đặt lên điện cực nghiên cứu điện thế có dạng xác địnhđược quét theo hướng anot hay catôt để quan sát dòng tương ứng Trongphương pháp đo này, bề mặt điện cực nghiên cứu phải được phục hồi trướcmỗi thí nghiệm, dung dịch không có khuấy trộn, sự chuyển khối được thựchiện bằng khuyếch tán đặc biệt Phạm vi điện áp phụ thuộc vào việc lựa chọndung môi , chất điện ly nền và bản chất điện cực

Dạng của đường phân cực vòng:

Đường phân cực vòng là một đường tuần hoàn biểu diễn mối quan hệgiữa mật độ dòng i (mA/cm2) và thế (V) Đường cong biểu diễn quan hệ i-E

có các đỉnh đặc trưng ip,a ứng với Ep,a và ip,c ứng với Ep,c là dòng - thế anot vàcatot tương ứng Trong quá trình thuận nghịch Ox+ne  Red, do khuếch tánkhống chế, Randles và Sensick đã đưa ra mối quan hệ giữa dòng điện cực cựcđại với tốc độ quét thế :

ip = 2.687.105.n3/2.A.Do1/2.Co.v1/2

Trong đó:

n: số electrom tham gia phản ứng v: tốc độ quét thế (mv/s)

A: diện tích điện cực (cm 2 ) C: nồng độ chất phản ứng (mol/lit) D: hệ số khuếch tán (cm 2 /s) i p : mật độ dòng pic (mA/cm 2 )

Hiệu điện thế (E) đánh giá mức độ thuận nghịch của quá trình:

N a : số electron trao đổi biểu kiến

Nếu trong quá trính điện hoá có xảy ra các phản ứng hoá học trước vàsau phản ứng điện hoá thì quan hệ i - E không còn tuyến tính nữa

Theo phương pháp đo này ta có thể xác định được các bước khử riêngbiệt của chất phản ứng, khoảng thế xảy ra phản ứng với các giá trị i, E và đặcbiệt là tính chất thuận nghịch- bất thuận nghịch của quá trình điện hoá.Trongphương pháp này ta có thể sử dụng một chu trình (quét một lần) hay lặp nhiềuchu trình liên tục (quét nhiều vòng) Trong phép đo nhiều chu trình, các

đường i-E được quét liên tục, trong đó điện thế áp dụng được biến đổi tuầnhoàn theo thời gian.

Dùng đường cong phân cực xác định dòng ăn mòn

Trạng thái thí nghiệm của hệ ăn mòn là không có dòng điện do các quátrình điện cực cân bằng với nhau (tổng dòng anôt bằng dòng catôt)

Để xác định mức độ ăn mòn điện hoá ta cần xác định dòng ăn mòn iam

và thế ăn mòn Eam của hệ , xây dựng đường cong phân cực bằng cách phâncực hệ ra khỏi trạng thái cân bằng rồi ngoại suy về trạng thái không có dòngđiện



d

Hình 6 : Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể

2.1.2 Phương pháp nhiễu xạ tia X

Nguyên lý:

Cho chùm tia X truyền qua một chất ở trạng thái rắn hoặc khí, chùm tianày sẽ tương tác với các điện tử trong các nguyên tử của chất nghiên cứu hoặcngay cả với nhân nguyên tử nếu chùm tia có năng lượng đủ lớn Một phầnnăng lượng tia X sẽ bị mất đi do hiệu ứng tán xạ, phương truyền của chùm tia

X sẽ bị thay đổi khi tương tác, khi đó tán xạ có thể làm thay đổi hoặc khôngthay đổi bước sóng của bức xạ tới

Theo nguyên ký cấu tạo tinh thể, mạng tinh thể dược xác định từ cácnguyên tử hoặc ion phân bố đều đặn trong không gian theo một quy luật sácđịnh Khi chùm tia X tới bề mặt tinh thể và đi sâu vào bên trong mạng lưới thìmạng lưói này đóng vai trò như một cách tử nhiễu xạ dặc biệt, các nguyên tử,ion bọ kích thích bởi chùm tia X sẽ trở thành các tâm phát ra các tia phản xạ

Khoảng cách giữa các nguyên tử hay ion trong tinh thể cũng khoảng A0

tinh thể tức là vào khoảng bước sóng tia X Do đó khi chùm tia X đập vào mạttinh thể và đi vào bên trong nó thì mạng tinh thể đóng vai trò của một cách tửnhiễu xạ đặc biệt Theo phương trình Vulf – Bragg

Khi biết được d,  sẽ tính được  là bước sóng là bước sóng của tia phảnxạ.

Khi chiếu chùm tia X lên mẫu với các góc khác nhau ta thu được giản

đồ nhiễu xạ tia Rơnghen, mà mỗi chất tinh thể có một bộ vạch phổ tương ứngvới các giá trị d và cường độ I đặc trưng Việc tìm ra trên giản đồ đó sự giốngnhau cả về vị trí lẫn tỷ lệ cường độ của chất nghiên cứu và chất chuẩn đã biết

là cơ sở của phép phân tích phổ định tính

2.1.3 Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM và phân tích EDX

Phương pháp hiển vi điện tử quét SEM

Phương pháp SEM (Scanning Electron Microscopy) sử dụng chùm tia

điện tử để tạo ảnh mẫu nghiên cứu ảnh đó khi đến màn huỳnh quang có thểđạt độ phóng đại theo yêu cầu Chùm tia điện tử được tạo ra từ catot qua hai

“tụ quang” điện sẽ được hội tụ lên mẫu nghiên cứu Khi chùm tia điện tử đậpvào mẫu sẽ phát ra các chùm điện tử phản xạ và điện tử truyền qua Các điện

tử phản xạ và truyền qua này được đi qua điện thế gia tốc vào phần thu vàbiến đổi thành một tín hiệu ánh sáng, tín hiệu được khuếch đại, đưa vào mạnglưới điều khiển tạo độ sáng trên màn ảnh Mỗi điểm trên mẫu cho một điểmtương ứng trên màn Độ sáng tối trên màn ảnh phụ thuộc vào lượng điện tửphát ra tới bộ thu và phụ thuộc vào hình dạng bề mặt mẫu nghiên cứu

Phương pháp SEM thường được sử dụng để nghiên cứu bề mặt, kíchthước, hình dạng tinh thể của vật liệu

Kỹ thuật phân tích nguyên tố bằng EDX

EDX (Energy dispersive X-ray analysis) là một kỹ thuật được dùng đểphân tích nguyên tố hay phân tích thành phần hóa học của mẫu chất Kỹ thuậtphân tích này dựa trên nguyên lý tương tác giữa từ trường và vật chất Tia Xphát ra từ mẫu chất sẽ va chạm với những phần tử tích điện Để kích thích sự

phát xạ tia X, dòng năng lượng cao của các phần tử tích điện như là dòngelectron hay photon, hay dòng tia X được chiếu tập trung lên mẫu chất

Trong mẫu chất, mỗi nguyên tử có những electron tồn tại ở những mứcnăng lượng rời rạc Những mức năng lượng đó, còn gọi là những lớp electron,bao xung quanh hạt nhân Khi nhận năng lượng, electron ở lớp vỏ trong sẽ bịtách ra và tạo nên một hố electron Còn electron ở lớp vỏ ngoài sẽ chui vào hốnày Sự di chuyển đó phát ra một năng lượng và năng lượng này hình thànhnên tia X Số lượng và năng lượng của tia X được phát ra có thể được đo bởiphổ phân tán năng lượng EDX Vì năng lượng của tia X đặc trưng cho sựkhác nhau giữa các mức năng lượng của mỗi nguyên tố, cũng chính là đặctrưng cho cấu trúc nguyên tử của mỗi nguyên tố tạo nên thành phần của mẫuchất được đo

2.1.4 Đo từ độ bão hòa

Các đường cong từ hóa của các mẫu chất đã được đo bằng thiết bị từ kếmẫu rung Đó là một thiết bị dùng để xác định momem từ của mẫu Nguyên lýhoạt động của thiết bị này dựa trên cơ sở hiện tượng cảm ứng điện từ Bằngcách thay đổi vị trí tương đối của mẫu có momen từ M với cuộn dây thu, từthông qua tiết diện ngang của cuộn dây sẽ thay đổi theo thời gian và xuất hiệntrong nó một suất điện động cảm ứng Các tín hiệu đo được chuyển sang giátrị của đại lượng từ cần đo bằng một hệ số chuẩn của hệ đo

Để thực hiện được phép đo này, mẫu được rung với tần số xác địnhtrong vùng từ trường đồng nhất của một nam châm điện Từ trường này sẽ từhóa mẫu và khi mẫu rung sẽ tạo ra hiệu điện thế cảm ứng trên cuộn dây thutín hiệu Tín hiệu được thu nhận, khuyếch đại rồi được xử lí trên máy tính vàcho ta biết giá trị từ độ của mẫu

2.2 Thực nghiệm

2.2.1 Dụng cụ và thiết bị

Phòng Điện hoá-Khoa hoá- Đại Học KHTN

- Thiết bị điện phân

- Máy khuấy từ, máy gia nhiệt, nhiệt kế

Máy đo PGS-HH8 & máy tính xử lí kết quảTính chất điện hoá của điện cực được khảo sát trên máy PGS HH-8

ghép nối với máy tính tại phòng Điện hoá, khoa Hoá học, trường Đại họcKhoa học Tự nhiên, ĐHQG Hà Nội với bình điện phân ba điện cực: điện cựclàm việc, điện cực so sánh - điện cực calomen bão hoà, điện cực đối - điệncực Platin, dung dịch nghiên cứu

Potentiostat HH8

PGS-CE WE RE

Điện cực so sánh (CE): Calomen 3- Điện cực làm việc(WE)

Điện cực phụ trợ (RE):Platin 4- Dung dịch nghiên cứu

Hình 7: Sơ đồ thiết bị đo Potentiostat PGS-HH8

2

1 3

4

Máy in

Máy tính