一种在低共熔溶剂中电沉积制备Ga-Sn合金的方法

本发明属于电沉积，具体涉及一种在低共熔溶剂中电沉积制备ga-sn合金的方法。

背景技术：

1、液态金属镓和部分镓基合金（ga-ln、ga-sn、ga-al、ga-zn、ga-ag等）具有低熔点的特性，这使得它们可用于物理、化学和合成的各个领域。这些材料可以在合成新材料、催化方面提供非凡的能力，还可以实现包括微流体、柔性电子和药物递送在内的新应用。其中ga-sn合金在镓含量为91.7 at.%时，熔点为21℃，ga-sn合金在镓含量为80 at.%时，熔点为50℃左右。ga-sn合金目前在高性能镁离子电池（mib）、co2电还原等方面表现出较为优异的性能。

2、传统的液态金属合金通常是将金属升温至熔点，通过液态物理混合形成合金，该制备方法对液态金属的需求量大，且涂覆的涂层存在卜不均匀的问题。与传统的方法相比，利用电沉积的方法获得的ga-sn合金镀层均匀、沉积在基底上的镀层表面积大。另外，电沉积的方法不需要熔融法的高温，操作简便，能耗低，无安全隐患，电解液易处理。但传统的水溶液体系电沉积ga-sn合金同样也面临着严峻的挑战：1. 在水溶液中电沉积镓的电化学窗口窄，由于ga3+还原成ga的标准电极电势为−0.529 v，在水溶液中会析氢严重，降低电流效率；2.熔点低于100℃以下的ga-sn合金（ga的含量≥70 at.%）中所需镓的含量高，电沉积制备的ga基材料中镓的含量难以达到。

3、近年来，低共熔溶剂或离子液体被认为是传统水溶液体系的可能替代品，显示出对合金成分更高的调控性。如中国专利cn105112962a公开了在含增溶剂和晶粒细化剂的离子液体1-丁基-3-甲基咪唑氯化盐，1-丁基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐，1-乙基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐或1-丁基-2 ,3-二甲基咪唑六氟磷酸盐体系中，恒电势沉积镍镓合金，其中镓的质量百分含量约为15~40%。该离子液体较为复杂，且ga含量不高。发明人先前的研究（cn117431565a）通过在乙酰胺和二甲基砜的深共熔溶剂中恒电量沉积获得了ga含量较高的镓锡合金，但该方法为先沉积镓金属再沉积锡金属的分步沉积方法，过程略显复杂。因此，有必要开发一种更为简便的电沉积制备镓含量的较高的ga-sn合金的方法。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种在低共熔溶剂中电沉积法制备ga-sn合金的方法，更具体地，是在低共熔溶剂中一步电沉积法制备ga-sn合金的方法。

2、本发明提供了一种在低共熔溶剂中电沉积制备ga-sn合金的方法，包括具体步骤如下：在以含镓源和锡源的低共熔溶剂为电解液，以导电材料为阴极，铂网为阳极的电沉积体系中，恒电流电沉积ga-sn合金；所述低共熔溶剂由氯化胆碱和尿素按照摩尔比1:1～5组成；沉积电流密度范围为0.1～3 a dm-2，电沉积温度范围为50℃～90℃。

3、更具体的，制备步骤如下：

4、（1）电解液配制：氯化胆碱和尿素按照摩尔比1：1～1：5加热搅拌混合，溶解为澄清透明的低共熔溶剂后，将锡源、镓源依次加入到上述低共熔溶剂中并搅拌溶解完全，得到电沉积ga-sn合金的电解液。

5、（2）电沉积：以导电材料为阴极，铂网作为阳极。将电极置于上述电解液中，加载恒电流电沉积ga-sn合金，沉积电流密度范围为0.1～3 a dm-2，电沉积温度范围为50℃～90℃，沉积完后清洗、烘干。

6、其中，电解液中镓离子的摩尔浓度为200～500 mol l-1，锡离子的摩尔浓度为50～250 mol l-1。

7、进一步地，锡源为无水氯化亚锡、硫酸亚锡、氨基磺酸亚锡等亚锡盐的任意一种；镓源为无水氯化镓、硫酸镓等镓盐的任意一种。

8、电沉积的温度一般是低共熔溶剂保持液态的温度，为达到所需的电流密度，可适当提高电沉积的温度，本发明中电解液工作温度范围为50 ℃～90 ℃。

9、进一步，步骤（2）中采用恒电流的方式进行电沉积，电流密度范围为0.1～3 a dm-2，电沉积温度范围为50℃～90℃，可以连续沉积ga-sn合金。通过控制沉积电流密度可以实现共沉积元素的合金化，可以调控ga-sn合金的成分比例。

10、其中，阴极的导电材料不限，可以是镍片、泡沫镍等。

11、本发明所获ga-sn合金中ga含量为0～80 at.%。

12、在本发明的一些示例性的具体实施例中，在氯化胆碱和尿素摩尔比1:1，氯化亚锡100 mol l-1、氯化镓300 mol l-1配制成电解液，在75 ℃下，沉积电流密度为1.5 a dm-2；或在氯化胆碱和尿素摩尔比1:2，氯化亚锡50 mol l-1、氯化镓200~250 mol l-1配制成电解液，在50~65℃下，沉积电流密度为0.1~0.2 a dm-2，均可以一步法电沉积制备得到ga含量为80 at.%的ga-sn合金。ga含量为80 at.%的ga-sn合金在50 ℃下为液体状态。

13、本发明与现有技术相比，具有如下优点及有益效果：

14、（1）本发明以低共熔溶剂（氯化胆碱和尿素的摩尔比为1：1～1：5）作为电解液的溶剂，具有宽的电化学窗口，低的熔点，高的电导率，优异的热稳定性能。利用电沉积方法电沉积制备ga-sn合金电极，省去了粘结剂的使用，电沉积过程使得镀层更加均匀稳定，并且可以通过改变沉积条件来改变沉积合金的组成。

15、（2）本发明的电解液体系具有成本低廉、环境友好等优点，应用于电镀体系中，还具有络合剂的功能，能络合大部分金属离子，拉近不同金属离子的还原电位达到共沉积的目的，使得多元合金的共沉积工艺变得更加易于实现。

16、（3）本发明得到的ga-sn合金成分均匀，且比表面积大。通过一步法电沉积可制得镓含量较高（80 at.%）的ga-sn合金。

技术特征：

1.一种在低共熔溶剂中电沉积制备ga-sn合金的方法，其特征在于：包括如下具体步骤：在以含镓源和锡源的低共熔溶剂为电解液，以导电材料为阴极，铂网为阳极的电沉积体系中，恒电流电沉积ga-sn合金；所述低共熔溶剂由氯化胆碱和尿素按照摩尔比1:1～5组成；沉积电流密度范围为0.1～3 a dm-2，电沉积温度范围为50℃～90℃。

2.根据权利要求1所述的在低共熔溶剂中电沉积制备ga-sn合金的方法，其特征在于：电解液中镓离子的摩尔浓度为200～500 mol l-1，锡离子的摩尔浓度为50～250 mol l-1。

3.根据权利要求1所述的在低共熔溶剂中电沉积制备ga-sn合金的方法，其特征在于：锡源为无水氯化亚锡、硫酸亚锡、氨基磺酸亚锡等亚锡盐的任意一种；镓源为无水氯化镓、硫酸镓等镓盐的任意一种。

4.一种采用权利要求1-3任一项所述方法制备的ga-sn合金。

技术总结本发明公开了一种在低共熔溶剂中电沉积制备Ga‑Sn合金的方法，属于电沉积技术领域。将镓源、锡源溶解于以氯化胆碱和尿素制备的低共熔溶剂中制得电解液。在电解液体系中，以0.1～3 A dm<supgt;‑2</supgt;的电流密度进行恒电流电沉积，实验温度为50～90℃，得到Ga‑Sn合金。合金Ga含量为0～80 at.%。该方法操作简单、安全可靠，可以通过一步法电沉积制备得到Ga‑Sn合金。技术研发人员：吴敏娴,徐玉兰,成鑫磊,陈艳丽,王文昌,陈智栋受保护的技术使用者：常州大学技术研发日：技术公布日：2024/6/20