Закономерности взаимодействия суспензии алюминия с раствором, содержащим железо(III) и вольфрам(VI) Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 546.78:541.138

М. Е. Колпаков, А. Ф. Дресвянников, К. М. Закиров

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СУСПЕНЗИИ АЛЮМИНИЯ С РАСТВОРОМ, СОДЕРЖАЩИМ ЖЕЛЕЗО(Ш) И ВОЛЬФРАМ(М)

Ключевые слова: железо, вольфрам, соосаждение, электрохимические и температурные зависимости.

Исследованы электрохимические закономерности гетерофазного взаимодействия раствора, содержащего ионы Fe(III) и W(VI), с поверхностью микрочастиц алюминия.

Keywords: iron, tungsten, coprecipitation, electrochemical and temperature curves.

Electrochemical pattern of geterophase interaction of Fe(III) and W(VI) ion-containing solution and aluminium microparticles surface have been investigated.

В настоящее время имеется тенденция замены традиционных материалов многокомпонентными композициями, содержащими разные классы соединений и имеющими более широкий спектр свойств. Такие материалы могут быть получены и электрохимическим способом. Они обладают более высокими характеристиками по сравнению с чистыми компонентами и металлургическими сплавами, особенно по таким показателям как износостойкость, твердость, коррозионная стойкость. Одним из перспективных ингредиентов, входящих в состав композиций, является вольфрам, придающий материалу повышенные механические свойства.

Известно, что металлический вольфрам в элементном состоянии на катоде не осаждается, вследствие высокого электроотрицательного потенциала и низкого перенапряжения выделения водорода на нем [1]. Электрохимическое осаждение на катоде вольфрама возможно в присутствии в электролите металлов семейства железа, с которыми он образует сплавы. Из предложенных объяснений этого явления, по-видимому, наиболее адекватна точка зрения А.Т. Ваграмяна и З.А. Соловьевой о деполяризации в процессе совместного разряда ионов вольфрама и металлов семейства железа, обусловленной образованием при осаждении химических соединений или твердых растворов [1]. Осажденные сплавы, как правило, обладают высокой твердостью, коррозионной стойкостью и износостойкостью [2,3].

При решении задачи получения порошковых прекурсоров, содержащих указанные металлы в элементном состоянии, перспективным представляется подход, заключающийся в синтезе предшественников компактного материала в водном растворе их соединений с использованием растворимой матрицы [4]. В данной работе исследовали совместное восстановление ионов Fe(III) и W(VI) в водных растворах при контакте с дисперсной алюминиевой подложкой.

Эксперименты проводили по традиционной методике [4]. Из рис.1 следует, что в присутствии вольфрама^!) в исходном растворе (рис.1, кривая 1) общий характер температурной зависимости не меняется - имеет место резкий рост температуры реакционной смеси вплоть до максимума. Зависимость аналогична таковой для восстановления ионов железа(Ш) (рис.1, кривая 2). В то же время замечено, что присутствие ионов W(VI) увеличивает индукционный период и крутизну фронта роста температуры (табл.1).

При совместном присутствии ионов Fe(III) и W(VI) в исходном растворе, по всей видимости, наблюдается практически одновременное выделение обоих металлов (рис.2). Сопоставление хронопотенциограмм, полученных для платинового электрода в растворах, содержащих железо(Ш) и вольфрам^), подтверждает предположение, сделанное при анализе термограмм о неизменности характера процессов при совместном восстановлении железа(Ш) и вольфрама^). Однако, в присутствии ионов вольфрама(У^ потенциал платинового

электрода достигает более отрицательных значений, что может указывать на достижение значительных степеней осаждения железа и вольфрама.

т,°с

110 г

90

70

50

30

10 -----1----'----*----1---*----1----*----'----1---'----1----'

0 250 500 750 1000 1250 1500

т,с

Рис. 1 - Изменение температуры реакционной смеси в ходе редокс-процесса для водных систем: 1 - А1 + 1,0М Ре(!!!)+ 0,1М W(VI); 2 - А1 + 1М Ре(!!!)

Таблица 1 - Параметры восстановления ионов металлов (т - индукционный период, vmax - максимальная скорость роста температуры, Ттах - максимум температурной кривой)

Система Раствор т, с ^тах> °С/с Т °С 1 тах> ^

Ре^ 1,0М Ре(111)+ 0,1М W(VI) 98 0,99 99,1

Ре 1М Ре(111) 55 0,48 100,0

Одновременно с соосаждением новых фаз имеет место выделение водорода. На хронопотенциограмме, соответствующей процессу формирования системы Ре^, наблюдаются флуктуации потенциала, которые вероятно связаны с протеканием периодических процессов «образование-растворение зародышей новой фазы».

Методом парциальных поляризационных кривых показано (рис.3), что совместное выделение железа и вольфрама в области рабочих плотностей тока происходит со сверхполяризацией по сравнению с осаждением железа. Поляризационная кривая совместного разряда ионов железа, вольфрама и водорода находится ниже поляризационной кривой осаждения элементного железа. Это может свидетельствовать о преимущественном осаждении железа и сопутствующем выделении вольфрама. Катодное восстановление металлов лимитируется диффузией, в то время как анодный процесс ионизации алюминия протекает в кинетической области.

Используя поляризационные кривые определяли значения компромиссных потенциалов, соответствующих равенству токов анодного и катодного процессов (табл.2). Согласно таблице 2 присутствие ионов W(VI) снижает скорость электрохимического процесса.

Рис. 2 - Хронопотенциограммы платинового электрода в реакционных смесях: 1 - АІ + 1,0М Ре(ііі)+ 0,1М W(VI); 2 - АІ + 1М Ре(ііі)

Таблица 2 - Характеристики скоростей процессов в электрохимической ячейке

Характеристика процесса Концентрация ионов, моль/л

1,0М [Ре(ііі)] 1,0М Ре(ііі)+ 0,1М W(V)]

Е, мВ -616 -673

2 ], мА/см 46,6 26,8

5 2 Уэл-10 , моль/(см с) 16,1 9,2

Рис. 3 - Парциальные поляризационные кривые (298 К). Анодная: алюминиевый электрод в растворе хлорида натрия, моль/л: 1 - 1,0. Катодные: железный электрод в растворах: 2 - 1М РеО!3; 3 - 1,0М Ре(!!!) + 0,1М W(VI)

69

Таким образом, в данной работе исследован процесс взаимодействия водного раствора, содержащего ионы вольфрама (VI) и железа (III) с дисперсной алюминиевой матрицей. По аналогии с ранее проведенными исследованиями можно предположить, что в результате взаимодействия формируется пористая структура, состоящая из наноразмерных нитевидных и сферических образований элементных металлов. Следующим этапом исследования будет являться изучение структуры и фазового состава сформированной системы, а также ее поведение в условиях воздействия высокой температуры и давления.

Экспериментальная часть

Электрохимические измерения проводили в стеклянной ячейке ЯСЭ-2 с разделенными катодным и анодным пространствами. В качестве электрода сравнения использовали хлоридсеребряный электрод ЭВЛ-1МЗ.1, снабженный капилляром Луггина, в качестве вспомогательного - платиновый проволочный противоэлектрод. Все исследования проводили на импульсном потенциостате P-30IM (Elins). Катодные поляризационные кривые снимали на железном электроде с фиксированной рабочей поверхностью (0,12 см2) в рабочих электролитах, варьируя концентрации компонентов, анодные - на алюминиевом электроде (А95) в растворе AICI3, соответствующей концентрации. Циклические вольтамперные кривые снимали на платиновом электроде (0,2 см2). Кроме того, фиксировали хронопотенциограммы алюминиевого суспендированного электрода в исследуемых электролитах; потенциал также измеряли относительно хлоридсеребряного электрода сравнения. Значения потенциала всех электрохимических измерений приведены относительно хлоридсеребряного электрода.

Термические измерения проводили непосредственно в реакционной среде с использованием минитермопары К-типа и вольтметра AM-1118 (Aktakom).

Исследование выполнено в соответствии с заданием госконтракта №16.552.11.7012 «Развитие центрами коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в рамках основных направлений реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2012 годы» и госконтракта №16.740.11.0207 в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».

Литература

1. Ваграмян, А.Т. Методы исследования электроосаждения металлов / А.Т. Ваграмян, З.А. Соловьева. -М.: Изд-во АН СССР, 1960. - 448 с.

2. Shafia Hoor, F. Electroless deposition and characterization of Fe-W-Pt alloys / F. Shafia Hoor, C.L. Aravinda, M.F. Ahmed et al. // Journal of Materials Science Letters. - 2000. - V.19, №12. - P.1067-1069.

3. Gamburg, Yu.D. Electrodeposition, Structure, and Properties of Iron-Tungsten Alloys / Yu.D. Gamburg, E.N. Zakharov, G.E. Goryunov // Russian Journal of Electrochemistry. - 2001. - V.37, №7. - P.670-673.

4. Колпаков, М.Е. Электрохимические закономерности и кинетика саморазогрева при образовании нанокристаллической фазы Fe-Cu в водных растворах / М.Е. Колпаков, А.Ф. Дресвянников // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т. 14, №9. - С.159-164.

© А. Ф. Дресвянников - д-р хим. наук, проф. каф. аналитической химии, сертификации и менеджмента качества КНИТУ, alfedr@kstu.ru; М. Е. Колпаков - канд. хим. наук, доц. той же кафедры, mikon78@mail.ru; К. М. Закиров - студ. КНИТУ.