微流控双极电化学反应器的构建及空间分离电沉积研究

Both bipolar electrochemistry and electrochemical microfluidics have shown a broad application prospect in the fields such as chemical engineering and water treatment, due to their unique attributes and advantages. This proposal aims at the design of microfluidic bipolar electrochemical reactors to develop a new efficient method for spatially separated electrodeposition of multicomponent metal ions, based on the site-selectivity of bipolar electrodes and the uniform current density and local control of the process parameters of microfluidic electrochemical systems. We plan to fabricate bipolar electrodes with one anodic pole and several cathodic poles for the separation and deposition of precious metal ion mixtures and heavy metal ones. The metal ions with different deposition potentials can be expected to be exhaustively deposited on various cathodic poles, as a result of the potential gradient of bipolar electrode and the exhaustibility of microcavity electrolysis. The interfacial potential and the current distribution of various poles are dependent on their spatial coordinates, the length of dipolar electrode, the potential gradient and conductivity of the electrolyte solution, and the reaction kinetics parameters; the theoretical relationships between them will be studied. The major innovation of this proposal lies in the idea of spatially separated electrodeposition and the design strategy of multiposition bipolar electrodes and microfluidic thin-layer deposition chambers. This study will expand the research scope of bipolar electrochemistry and provide theoretical basis for the technological innovation in precious metal recovery and heavy metal sensing.

双极电化学和电化学微流控学以其独特的属性和优势，在化学工程、水处理等诸多领域显示出广阔的应用前景。本项目开展微流控双极电反应器的结构设计和制作，利用双极电极特有的位置选择性和微流控电反应器电流密度均匀、过程参数局部控制等优势，以贵金属离子和重金属离子两种混合溶液为研究体系，建立一种新型高效的多组分空间分离电沉积方法。项目通过设计包含单个阳极位和多个阴极位的双极电极，结合双极电极的界面电势差梯度和微腔耗竭性电解，实现不同沉积电势的金属离子在同一电极不同位置上发生耗竭性沉积；建立各反应位上的界面电势与电流分布的理论方程，揭示界面电势和电流分布与其空间坐标、双极电极长度、溶液电导及电势梯度、反应动力学参数等因素之间的关系。项目创新点在于空间分离电沉积这一新构想及其实现方式——构建多位式双极电极和微流控薄层沉积腔。项目将拓展双极电化学研究范围，为贵金属回收和重金属传感等领域的技术创新提供理论基础。

双极电化学是材料科学和分析化学领域的一种非常规且具有独特优势的技术。近十年来，双极电化学已经被用来产生不同类型的梯度材料，包括在组成、厚度、结构、颗粒大小、形态和润湿性等不同方面。双极电极可以根据需要设计成任何形状和尺寸，甚至是纳米尺度的物体，这得益于双极无线连接的工作方式。这种方式还允许同时控制大量的双极电极阵列，或控制在解决方案中移动的双极电极。在本项目中，我们通过设计不同的双极电化学反应器，将双极电化学的应用扩展到从混合物中回收有价金属和制备梯度合金。. 我们将双极电化学和流动电解相结合，开发了双极电化学流动微反应器，将混合金属离子分别沉积在单一双极电极的不同位置。研究了电极表面电位梯度与驱动电压、背景溶液浓度、溶液厚度和连接软管长度的关系。对于不同金属的分离沉积，通道溶液的厚度、流速和电位梯度的控制至关重要，例如从含有0.125 mM AuCl4−和20 mM Cu2+的混合溶液中回收了富含金的合金和纯铜。本工作提供了一种新型的双极流动微反应器，可用于电子工业废弃物中有价金属的高效回收。. 基于双极电极和电解液界面上的平面内电位梯度，我们实现了在铜基底上镍铜合金的一步阴极沉积，该沉积具有组成梯度和形貎的演变。沉积的合金层呈现从0到约89%的镍原子组成梯度，并与丰富的形貌递变相对应。这一工作表明，双极电化学可以为制备具有丰富结构的合金提供高通量筛选候选材料。. 本项目还提出了一种伏安法来测量梯度材料的随材料表面位置而变化的电催化活性。采用双极电化学方法在镍基体上沉积镍铜铁三元梯度合金，我们提出了“面积阶跃循环伏安法”，通过连续增加电解液与梯度表面的接触面积来连续测量梯度合金的局部电催化活性。平行实验始终指向同一位置，该位置在氧气发生反应中表现出最高的内在活性的阳极氧析出反应。本项目的开展拓展了双极电化学这一独特方法在多金属沉积方面的应用，在贵金属回收及梯度合金制备方面具有潜在的应用价值。