碳纳米纤维电镀镍方法研究

耿阳, 王立世, 陈明慧, 卜智翔, 孙力

(1.湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068;2.湖北工业大学 绿色轻工材料湖北省重点实验室，湖北 武汉 430068)



碳纳米纤维电镀镍方法研究

耿阳, 王立世, 陈明慧, 卜智翔, 孙力

(1.湖北工业大学 机械工程学院，湖北 武汉 430068;2.湖北工业大学 绿色轻工材料湖北省重点实验室，湖北 武汉 430068)

作为一种增强基材料，碳纳米纤维的优良性能被广泛关注.采用表面活性剂分散碳纳米纤维方法，制备了碳纳米纤维纸.利用电化学工作站，对碳纳米纤维纸进行电镀镍.通过伏安循环曲线和电镀曲线对碳纳米纤维电镀镍的过程进行分析.在碳纳米纤维电镀镍之后进行微观形貌、表面成分和电阻变化分析，发现碳纳米纤维能被镍很好地包覆且电阻率大幅降低.

碳纳米纤维；电镀；镍

碳纳米纤维(Carbon Nanofibers,CNFs)是碳纳米材料的一种形式，是近几年来兴起的一种新型亚微米增强材料[1-2].它除具有低密度、高比模量、高比强度、高导电等特性外，还具有缺陷数量少、直径小、比表面积大、结构致密等特性.因此，碳纳米纤维可应用于生物传感器[3-7]、微孔滤膜[8-10]、超级电容[11]、锂离子电池等领域中.

表面金属化的碳纳米纤维可以用于磁性材料中[12]，碳纳米纤维表面金属化常用的方法有物理气相沉积(PVD)、化学镀和电镀法.相比于前两者，电镀法设备简单、可操作性强、可连续大规模生产、成本低廉，是一种应用前景广阔的方法.本文将在碳纳米纤维纸上沉积镍，并且对电镀机理进行对比研究分析.

1 实验部分

1.1 实验材料

实验所用碳纳米纤维为美国Pyrograf公司生产的碳纳米纤维，硫酸镍、氯化钠、硼酸、十二烷基硫酸钠(SDS)均为国药集团化学试剂有限公司生产.

1.2 工艺参数

镀液配方：硫酸镍225 g/L，氯化镍65 g/L，氯化钠55 g/L，硼酸40 g/L，十二烷基硫酸钠0.05 g/L.其中硫酸镍、氯化镍为主盐，氯化钠为增加溶液导电性的辅盐，硼酸为缓释剂，十二烷基硫酸钠为分散剂.

实验条件：PH值：3～5，温度：25 ℃，电镀时间为20 min.采用恒电流电镀工艺，将碳纳米纤维纸裁剪成长方形后用电极夹夹持，对电极为铂丝，参比电极为Ag/AgCl电极.

本文将碳纳米纤维制作成纸，采用电镀法，可以同时对大量的碳纳米纤维进行电镀.同时镀层的厚度以及电流密度的大小都可以通过调节电化学工作站的工作参数进行控制.通过对碳纳米纸表面进行电镀，可以提高碳纳米纸的导电性，使碳纳米纤维产生磁性[13].

1.3 实验过程

采取类似于文献[14]中的制作工艺，将碳纳米纤维制成纸，具体过程为：称取40 mg碳纳米纤维放入研钵之中并加入2～3 mL表面活性剂SDS研磨10 min，研磨之后将其转移到100 mL烧杯中，加入表面活性剂至100 mL，然后100 W超声20 min得分散液.将所得分散液加入去离子水至250 mL，再超声分散1 h，真空抽滤干燥并抄取.图1为松散的碳纳米纤维和该方法制备出的碳纳米纤维纸.

图1 松散的碳纳米纤维以及碳纳米纤维巴基纸

将制备好的碳纳米纤维纸裁剪成12 mm×5 mm的长方形，采用天津艾达恒晟科技发展有限公司的J110型电极夹夹持，参比电极采用BASI公司生产的MF-2052型Ag/AgCl参比电极，对电极采用铂丝，在上海华辰仪器有限公司CHI600e型电化学工作站上进行伏安循环扫描以及恒电流电镀.

电镀前后的微观形貌和成分分析在FEI公司的Sirion场发射高分辨扫描电镜(SEM)(配有EDAX公司EDS能谱仪)上进行.电阻采用CHI600e电化学工作站测量.

1.4 实验结果

图2为采用SDS分散制备的碳纳米纤维纸的微观照片.

图2 SDS 分散制备的碳纳米纤维纸的SEM照片

利用电化学工作站测量碳纳米纤维纸的伏安循环曲线(图3)，扫描范围从-2.5 V到1.5 V，扫描速率为10 mV/s，参比电极为Ag/AgCl.从电化学镀镍的伏安循环曲线可以看出，镍的沉积电位在-0.7 V左右，即当电势比-0.7 V更负时，在碳纳米纤维表面才开始有镍原子沉积.

图3 碳纳米纤维纸的伏安循环曲线

采用0.08 A·cm-2的电流密度，对碳纳米纤维纸进行电镀，其电镀过程如图4所示.

图4 电镀镍过程

镍在碳纳米纤维上电沉积过程中总共分为四步：液相传质、前置转化、电荷传递、电结晶.在电镀初期，反应离子向电极表面附近液层迁移，迁移到电极表面附近时反应离子发生一系列的化学转化反应.由于其中还包括双电层的影响，所以这个过程中电压不稳定，只有当电位负移到一定值时，电极表面才开始有金属镍的沉积，由于金属形核时所需的能量大于长大时的能量，所以电位略微变正.曲线开始回升，过电位减小.反应进行一段时间后，整个反应达到动态平衡，所以宏观表现出电压相对稳定.随着时间的推移，当反应进行到后期，由于电解液体系中Ni2+浓度减小，且阳极为铂电极，阳离子得不到补充，导致体系电阻略微变大，此时表现为电位略向负移动.

图5为碳纳米纤维电镀之后的SEM照片.从照片中不难发现，每一根碳纳米纤维被镍包覆

图5 碳纳米纤维电镀后SEM照片

的非常好，根据公式[15]：

δ=K·Dk·tηk

(1)

图6 镀镍前后能谱图

由公式可以看出镀层厚度与电流密度、时间、电流效率等三个可变因素有直接关系.其中厚度系数K为镍的电化学当量除以镍的密度,可由电镀手册查询镍的电化学当量为3.036×10-4g/C，镍的密度为8.90 g/cm3.阴极电流密度为0.08 A·cm-2，本实验电镀时间为1 200 s，阴极电流效率由电镀手册查询为95%，由公式(1)计算镀层厚度大约为0.259 μm，由于碳纳米纤维被包覆的非常好，所以在图6 EDS能谱上只能看到镍的峰强.

碳纳米纤维在镀镍之后，其电阻显著减小，在电镀前碳纳米纤维纸的电阻率约为12.17 mm·Ω，在电镀镍之后碳纳米纤维纸的电阻率约为1.125 mm·Ω，导电性得到显著提升.如图7所示碳纳米纤维电镀前后的电阻比较.

图7 碳纳米纤维电镀镍前后的电阻比较

2 结 论

(1)通过对碳纳米纤维表面镀镍，大幅度地提高了碳纳米纤维的导电性.

(2)采用电化学沉积技术，可以同时对大量的碳纳米纤维进行电镀，这种电镀后的碳纳米纤维纸具有广泛的应用潜力.

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Studies on the Nickel Plating of Carbon Fibers

GENG Yang, WANG Li-shi, CHEN Ming-hui, BU Zhi-xiang, SUN-Li

(1.School of Mechanical Engineering,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China;2.Hubei provincial key Laboratory of Green Materials of Light Industry,Hubei University of Technology,Wuhan 430068,China)

Carbon nanofibers as a base reinforced material,its excellent performance has been widespread concern.Article uses a surfactant dispersing the carbon nanofibers, and made into paper.Electrochemical workstation,carbon nanofiber sheet plated nickel.Process for the analysis of nickel-plated carbon nanofibers by cyclic voltammetry curves and plating curves.After the carbon nanofibers nickel plating，the morphology, surface composition,and the resistance change were analysed,we found that the carbon nanofibers can be coating well of nickel and resistivity greatly reduced.

Carbon nanofibers; Plating;Nickel

2014-10-12

耿 阳(1988-)，男，湖北武汉人，硕士研究生，主要从事碳纳米材料电化学特性研究.E-mail：254814293@163.com.

王立世(1974-)，男，河南开封人，副教授，主要从事电化学表面改性及轻合金表面处理研究.E-mail:lswang@mail.hbut.edu.cn.

TB33

A

1007-9793(2015)03-0047-04