Журнал прикладной химии. 2022. Т. 95. Вып. 5

ПРИКЛАДНАЯ ЭЛЕКТРОХИМИЯ И ЗАЩИТА МЕТАЛЛОВ ОТ КОРРОЗИИ

УДК 544.654:541.135.7/88:546.56-121

ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВ МЕДИ

ПРИ ПОЛЯРИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОДНОЙ ПАРЫ МЕДЬ-ТИТАН

ПЕРЕМЕННЫМ ТОКОМ

А. С. Кадирбаева², Р. Н. Нурдиллаева^4,*

¹ Институт топлива, катализа и электрохимии им. Д. В. Сокольского,

050010, Казахстан, г. Алматы, ул. Кунаева, д. 142

² Казахский Национальный университет им. аль-Фараби,

050040, Казахстан, г. Алматы, пр. аль-Фараби, д. 71

³ Южно-Казахстанский государственный педагогический университет,

160012, Казахстан, г. Шымкент, ул. А. Байтурсынова, д. 13

⁴ Международный казахско-турецкий университет им. Ходжи Ахмеда Ясави,

161200, Казахстан, г. Туркестан, пр. Б. Саттарханова, д. 29

* E-mail: raushan.nurdillayeva@ayu.edu.kz

Поступила в Редакцию 26 января 2022 г.

После доработки 12 июля 2022 г.

Принята к публикации 12 июля 2022 г.

Показана возможность получения порошков меди при использовании переменного тока промышленной

частоты. Электрохимическая цепь состояла из двух электролизеров, параллельно соединенных между

собой. В каждом электролизере была установлена электродная пара медь-титан. Электролитом

служил водный раствор, содержащий сульфат меди(II). В электролизере 1 в процессе электролиза

медный электрод растворяется в положительном полупериоде с образованием Cu²⁺, которые вос-

станавливаются на титановом электроде до Cu⁰ в виде дисперсного порошка. В электролизере 2 в

этом полупериоде процесс электролиза не протекает. При изменении направления тока электролиз

осуществляется только в электролизере 2. Установлено, что при изменении плотности тока в

интервале 10-75 кА∙м^-2 выход по току Cu⁰ в каждом электролизере увеличивается от 31 до 85.2%.

При изменении концентрации Cu²⁺ в пределах 5-10 г∙л^-1 выход по току Cu⁰ в каждом электролизере

повышается до 84.2%. В результате процесса формируются ультрадисперсные порошки меди. Ме-

тодом сканирующей электронной микроскопии показано, что средние размеры частиц порошков меди

не превышают 1 мкм.

Ключевые слова: переменный ток; поляризация; полупериоды; медный электрод; титановый элект-

род; ультрадисперсные медные порошки

DOI: 10.31857/S0044461822050085, EDN: DJASJJ

Ультрадисперсные порошки меди, которые широ- конфигурации, в основном получают электрохимиче-

ко применяются при изготовлении деталей сложной скими способами [1, 2]. В условиях поляризации по-

622

Получение порошков меди при поляризации электродной пары медь-титан переменным током

623

стоянным током получение порошков меди с высокой

помощью которого регулируются напряжение и ток,

дисперсностью затруднено, так как происходит агло-

значение тока измеряется амперметрами переменного

мерация частиц. Данную проблему можно решить,

тока Э 538 (ООО «Эталон Прибор»).

используя поляризацию нестационарными токами, в

Следует отметить, что в том случае, когда медный

частности, переменным током [3-7].

электрод в первом электролизере является анодом

Цель работы — изучение процесса образования

(положительный полупериод переменного тока), он

медных порошков в условиях поляризации электрод-

растворяется с образованием Cu²⁺. На титановом

ной пары медь-титан промышленным переменным

электроде, служащем катодом, в этом полупериоде

током частотой 50 Гц с использованием процессов,

Cu²⁺ восстанавливается с образованием частиц по-

протекающих в двух полупериодах.

рошков меди.

При смене направления тока медный электрод ста-

новится катодом, а титановый электрод, расположен-

Экспериментальная часть

ный напротив, анодом. Поверхность титана покрыта

Электрохимические исследования проводили в

пленкой Ti_xO_x, обладающей полупроводниковыми

двух электролизерах, соединенных параллельно.

свойствами, поэтому изменение направления тока

Схема установки для получения порошков меди

способствует прекращению потока электронов через

представлена на рис. 1. Установка состоит из двух

электрохимическую цепь. Ток в общей электрохими-

электролизеров 1, 2, двух медных пластин 3 и тита-

ческой цепи начинает протекать через электролизер 2,

новых электродов в виде проволоки 4. Электролитом

в нем процессы повторяются. В данных условиях

служил раствор, содержащий Cu²⁺ c концентрацией

титан является вторым электродом, а также благодаря

5-30 г∙л^-1 и H₂SO₄ — 100 г∙л^-1. В работе применяли

образованию на его поверхности оксидной пленки

CuSO₄∙5H₂O (ч.д.а, АО «ЛенРеактив»), H₂SO₄ (х.ч.,

выполняет и роль диода.

ООО «Сигма Тек») без дополнительной очистки.

Таким образом, в результате проведения процесса

В качестве электродов использованы Cu (99.99%) и

под воздействием переменного тока дисперсные ча-

Ti (99.70%) (LD Didactic GmbH). Для приготовления

стицы меди образуются на титановых катодах в обоих

растворов применяли дистиллированную воду, полу-

электролизерах.

ченную с помощью электрического аквадистиллятора

По окончании экспериментов медные порошки,

ДЭ-М (ООО «Завод «Электромедоборудование»).

образовавшиеся в двух электролизерах, были отделе-

Поляризацию проводили в интервале плотностей

ны от электролита фильтрацией, подвергались сушке

тока на титановом электроде i_Ti = 10-125 кА∙м^-2, на

в среде аргона (аргон газообразный для лабораторий,

медном электроде i_Cu = 150 А∙м^-2.

99.993%, ТОО «Техгазсервис-ТАУ»). Порошки ана-

Переменный ток от сети к электрохимическим

лизировали с помощью сканирующего электронного

ячейкам подается через лабораторный автотранс-

микроскопа (JSM-6610 LV, JEOL Ltd) для определе-

форматор TDGC29-2KVA (Matrics Technology INC), с

ния размеров и формы частиц.

Рис. 1. Принципиальная схема установки для получения медного порошка.

1 — электролизер 1, 2 — электролизер 2, 3 — медные электроды, 4 — титановые электроды, 5 — электролит, 6 — лабо-

раторный автотрансформатор, 7 — амперметры, 8 — ключ.

624

Баешов А. и др.

Обсуждение результатов

вом электроде в каждом электролизере в интервале

10-125 кА∙м^-2 в двух полупериодах переменного

Обнаружено, что выход по току порошка меди

тока показана в табл. 1. При плотностях тока 10-

зависит от плотности тока. Зависимость выхода по

75 кА∙м^-2 выход по току порошка меди увеличивается

току порошка меди от плотности тока на титано-

от 31.0 до 85.2%. При значениях плотности тока вы-

Таблица 1

Влияние плотности тока на титановом электроде на выход по току порошка меди при поляризации электродной

пары медь-титан переменным током (i_Cu = 150 А∙м^-2, H₂SO₄ — 100 г∙л^-1, Cu²⁺ — 15 г∙л^-1, τ = 30 мин, T = 25°C)

Выход по току порошка меди, %

Плотность тока на титановом электроде, кА∙м^-2

в электролизере 1

в электролизере 2

31.0

33.0

58.0

52.2

74.2

71.0

85.2

85.0

100

71.4

71.0

125

63.8

64.5

Таблица 2

Влияние концентрации Cu²⁺ в электролите на выход по току порошка меди при поляризации электродной пары

медь-титан переменным током (H₂SO₄ — 100 г∙л^-1, і_Cu = 150 А∙м^-2, і_Ti = 75 кА∙м^-2, τ = 30 мин, T = 25°C)

Выход по току порошка меди, %

Концентрация Cu²⁺, г∙л^-1

в электролизере 1

в электролизере 2

66.0

59.0

84.2

80.0

78.0

72.0

55.0

52.0

46.0

45.0

40.0

35.0

Рис. 2. Микрофотография порошков меди, полученных в результате электролиза под действием переменного тока.

Получение порошков меди при поляризации электродной пары медь-титан переменным током

625

ше 75 кА∙м^-2 (табл. 1) выход по току порошка меди

катализа и электрохимии им. Д. В. Сокольского.

снижается.

Выражаем благодарность руководителю лаборато-

Значения выхода по току порошка меди, полу-

рии физических методов исследования ИТКЭ им.

ченные во втором электролизере, увеличиваются в

Д. В. Сокольского кандидату химических наук, стар-

пределах 33-85% в зависимости от плотности тока,

шему научному сотруднику А. Р. Бродскому и его

т. е. незначительно отличаются от таких же значений,

сотрудникам за оказанную помощь.

полученных в электролизере 1.

При увеличении концентрации ионов Cu²⁺ в ин-

Финансирование работы

тервале 5-10 г∙л^-1 выход по току порошка меди уве-

личивается в электролизере 1 в интервале 66.0-84.2%

Исследования проведены в соответствии с кален-

(табл. 2). Однако при дальнейшем увеличении кон-

дарным планом проекта АР 08856929 при финансовой

центрации ионов Cu²⁺ до 30 г∙л^-1 выход по току по-

поддержке Министерства науки и образования РК.

рошка меди уменьшается, что связано с образованием

компактных осадков меди. Значения выхода по току

Конфликт интересов

порошка меди в электролизере 2 сопоставимы со

значениями выхода по току порошка меди в электро-

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

лизере 1.

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

В результате электролиза образуются сферические

частицы размером менее 1 мкм (рис. 2). Следует от-

Информация о вкладе авторов

метить, что порошки меди, полученные в условиях

электролиза переменным током, характеризуются

А. Баешов и А. К. Баешова определили цель иссле-

значительно большей дисперсностью (более чем на

дования, основную концепцию работы, теоретически

2 порядка) по сравнению с порошками, полученными

обосновали возможность образования порошков меди

в условиях классического электролиза постоянным

при поляризации переменным током; А. Баешов раз-

током.*

работал электрохимическую схему для получения по-

рошка меди в двух полупериодах переменного тока;

А. К. Баешова занималась подбором методики экспе-

Выводы

римента, материалов электродов; А. Н. Жылысбаева

Результаты исследования позволяют сделать вы-

проводила предварительные исследования, в кото-

вод о возможности получения ультрадисперсных

рых было изучено влияние природы и концентра-

порошков меди электролизом при поляризации пере-

ции электролита на выход по току порошка меди;

менным током с достаточно высокими выходами по

А. С. Кадирбаева готовила электродные материалы,

току. Использование электродной пары медь-титан

изучала влияние исходной концентрации ионов меди

и проведение электролиза в двух параллельно соеди-

на выход по току порошка; Р. Н. Нурдиллаева изучала

ненных электролизерах способствует формированию

влияние плотности тока на выход по току порошка

порошка в обоих полупериодах (в положительном и

меди, участвовала в обработке и интерпретации ре-

отрицательном) переменного тока. Применение пред-

зультатов экспериментов.

лагаемой схемы электрохимической цепи позволяет

повысить выход порошка практически в 2 раза по

Информация об авторах

сравнению с электролизом, проведенным только в од-

ном электролизере. Поляризация переменным током

Баешов Абдуали, д.х.н., проф., академик Нацио-

способствует формированию порошков с размером

нальной академии наук Республики Казахстан

частиц, не превышающим 1 мкм.

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0745-039X

Баешова Ажар Коспановна, д.т.н., проф., академик

Международной академии информатизации

Благодарности

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9076-8130

Исследования методом сканирующей электрон-

Жылысбаева Акконыр Нурдиллаевна, к.х.н., доцент

ной микроскопии проведены с использованием обо-

ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9114-7582

рудования ресурсных центров Института топлива,

Кадирбаева Алтынай Сарсеновна, PhD по специ-

альности «химическая технология неорганических

веществ»

* Номберг М. И. Производство медного порошка элек-

тролитическим способом. М.: Металлургия, 1971. 134 с.

ORCID: https://orcid.org/0000-0003-0702-1114

626

Баешов А. и др.

Нурдиллаева Раушан Нурдиллакызы, к.х.н., проф.

[4]

Nekouei R. K., Rashchi F., Ravanbakhsh A. Copper

ORCID: https://orcid.org/0000-0001-9444-737X

nanopowder synthesis by electrolysis method in nitrate

and sulfate solutions // Powder Technol. 2013. V. 250.

P. 91-96.

Список литературы

https://doi.org/10.1016/j.powtec.2013.10.012

[1] Либенсон Г. А., Лопатин В. Ю., Комарницкий Г. В.

[5]

Pavlovic M. G., Pavlovic Lj. J., Maksimovic V. M.,

Процессы порошковой металлургии. Т. 1. Произ-

Nikolic N. D., Popov K. I. Characterization and

водство металлических порошков. М.: МИСИС,

morphology of copper powder particles as a function

2001. С. 191-256.

of different electrolytic regimes // Int. J. Electrochem.

[2] Герман Р. Порошковая металлургия от А до Я.

Sci. 2010. V. 5. N 12. P. 1862-1878.

Долгопрудный: ИД Интеллект, 2009. С. 293-306.

[6]

А. с. 1441830 СССР. Способ получения медного

[3] Shafiei Fatemeh K. T., Jafarzadeh K., Madram A. R.,

порошка по методу Баешова-Журинова.

Nikolic N. D. A Novel route for electrolytic production

[7]

Вayeshov A., Bayeshova A. K., Abizhanova D. A.

of very branchy copper dendrites under extreme

Formation of copper powders in the half period of

conditions // J. Electrochem. Soc. 2021. V. 168. N 4.

alternating current // Orient. J. Chem. 2019. V. 35. N 2.

ID 043502. https://doi.org/10.1149/1945-7111/abf064

P. 689-693. http://dx.doi.org/10.13005/ojc/350225