活性金属在离子液体中的阳极行为及机理研究

Reactive metals and alloys play an important role as structural and function materials. To expand the application, surface treatments of reactive metals and alloys are rather needed. Since the high chemical activity of these materials, the surface treatment is of great difficulties, which becomes a key issue to be desperately resolved. As a new kind of solution, ionic liquids show distinctive advantages in the surface engineering of reactive metals. In this work, a three-electode system will be employed to study the anodic behaviors of different kinds of reactive metals in different ionic liquid. The effects of the property of reactive metals, the anion, cation, acidity of the ionic liquid and the temperature of ionic liquid on the anodic behaviors will be studied. The chemical composition, phase structure and surface film of the reactive metal anode will be studied by SEM, EDS, XRD, XPS. The electrochemical methods, including potentiostatic method, galvanostatic method, cyclic voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy will be carried out to study the electrochesmical reaction equation, the controlling steps of the anodic reaction and the interface of the system. In addtion, IR and Raman combined with the theoretical calculation will be employed to study the composition and structure of the ionic liquid. This work will fill the blank of researches on the anodic mechanism of metals in ionic liquid，providing theory guidance for the surface treatment of reactive metals and alloys. The theories of anodic behavior of metals will be enriched at the same time.

活性金属及其合金是重要的结构和功能材料，表面处理可以显著提高其使用性能。由于这些金属活性高，表面处理难度大，是急需解决的瓶颈问题。离子液体是一种新型溶液，在活性金属的表面工程领域具有独特的应用前景。本项目拟采用三电极体系，对典型活性金属在离子液体中的阳极行为进行系统研究，建立活性金属性质、离子液体种类、酸碱度以及温度对阳极行为的影响规律；利用扫描电镜、能谱、X射线衍射、X射线光电子能谱等方法，研究金属阳极表面形貌、组成和表面膜；利用恒电位、恒电流以及循环伏安、交流阻抗谱等电化学方法，研究阳极过程的电化学反应、控制步骤以及界面变化规律；同时采用红外、拉曼等光谱法研究离子液体的组成，并结合ab initio理论计算，确定离子液体结构；最终揭示活性金属在离子液体中阳极行为的机理。本项目可以填补离子液体中金属阳极行为机理研究的空白，丰富金属阳极行为的理论，为活性金属及其合金的表面处理提供理论支持。

活性金属及其合金是重要的结构和功能材料，表面处理可以显著提高其使用性能。这些金属活性高，表面处理难度大，是急需解决的瓶颈问题。离子液体是一种新型溶液，在活性金属的表面工程领域具有独特的应用前景。. 本项目采用多种电化学研究方法，以及SEM、EDS、XRD、XPS、Raman等材料分析手段，结合ab initio理论计算，系统研究了Mg、Nd、Fe、Cr、Ti活性金属及AZ91D、NdFeB、不锈钢等合金在AlCl3-EMIC和[BMP]Tf2N离子液体中的阳极行为及其机理，得到以下重要结果：.（1）氧化膜显著影响活性金属在离子液体中的阳极行为。在2:1酸性AlCl3-EMIC离子液体中，Ti、Fe、Cr、Nd和Mg的阳极溶解电位依次降低；316L高于纯Fe，430和纯Fe相同；AD91D镁合金和纯Mg相同。.（2）Ti、Fe、Cr和Mg在2:1酸性AlCl3-EMIC离子液体中活化溶解时，形成二价离子，Nd形成三价离子。它们都会发生钝化。其中Ti、Cr钝化电流为0，阳极表面出现固体膜；Mg、Nd钝化电流大于0，阳极表面出现粘性膜；Fe根据前处理条件不同，钝化电流可能为0，也可能大于0。.（3）Mg、Nd在2:1酸性AlCl3-EMIC离子液体中，大电流下阳极溶解时，可使阳极均匀溶解。特别是对AZ91D和NdFeB多相合金，也可实现均匀溶解。这是由于阳极表面形成的粘性膜抑制了局部区域的优先溶解。.（4）Nd在碱性AlCl3-EMIC离子液体或[BMP]Tf2N离子液体中只发生活化溶解，其原因是阳极溶解分别形成可溶的[NdCl6]3-或[Nd(Tf2N)x](x-3)-。.（5）在2:1酸性AlCl3-EMIC离子液体中，Cr、Ti阳极溶解时，形成CrCl3和TiCl3固体，它们不溶于离子液体；Fe阳极溶解形成FeCl2固体，这是由于阳极和离子液体界面附近的离子液体由酸性变为中性。.（6）Mg在2:1酸性AlCl3-EMIC离子液体中阳极溶解形成的粘性膜，是由于溶解形成Mg(AlCl4)3-阴离子，该阴离子与EMI+阳离子之间形成复杂的网络状结构，导致离子液体的粘度显著增加。. 上述成果深化了对金属在电解液中阳极行为及其机理的理解，丰富了对电场作用下金属与离子液体界面特点的认识，为解决活性金属及其合金表面处理的难题提供了重要的理论支持。