一种免修饰超疏水铜层的制备方法及其应用技术

本发明专利技术属于金属材料表面改性领域，具体涉及一种钢基体上超疏水铜层的制备方法及其应用。免修饰超疏水铜层的制备方法包括：钢材基体进行前处理；配制电沉积溶液：将铜盐溶液、酒石酸钾钠溶液混合，再加入氢氧化钠，即得；电沉积过程：利用电沉积技术将电沉积溶液沉积在金属表面形成仿生微纳米结构铜层；然后将该金属在室温条件下放置，即可得到免修饰超疏水铜层。通过合理选择沉积金属的种类和组成，首次发现，在合理的电沉积参数条件下，在金属上电沉积铜金属也能形成仿生微纳米结构铜层，赋予金属表面优异的疏水性能。

【技术实现步骤摘要】
一种免修饰超疏水铜层的制备方法及其应用
本专利技术属于金属材料表面改性领域，具体涉及一种钢基体上超疏水铜层的制备方法及其应用，特别是利用简单电沉积在钢基体上制备免修饰超疏水铜层的技术及其应用。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。由于大量使用矿物燃料，以及能大量吸收CO2的森林遭到破坏，大气中的CO2浓度不断上升，并由此引发了温室效应。通过在水溶液中将CO2电催化还原为醇和碳氢燃料实现CO2的循环是一条可持续路径，这一路径将缓解当前面临的一些环境问题。Cu是二氧化碳还原的典型表面，具有产生C2和C3物种的能力，如乙烯、乙醇和正丙醇。但是在水溶液中CO2的溶解度较低，氢离子还原成H2比CO2还原更容易，铜电极通常失去>30％的法拉第效率(FE)来产生H2。通过使用超疏水的铜电极可以很好的解决这一问题。淹没在水中的超疏水表面可以捕获相当数量的气体，这将有利于气态二氧化碳在铜溶液界面积聚，从而提高法拉第效率，节省能源。专利技术人研究发现，一些金属基表面要实现超疏水不仅需要构造合适的表面粗糙结构，还要有低能物质对表面进行修饰，操作复杂，而且低能修饰物大多都是含氟或者烷烃类有机物质，稳定性不好且易溶于有机溶剂，不适合在水溶液电极上的应用。虽然现有技术公开了一些不经低能修饰也能实现超疏水的疏水层，但室温静置时间过长，不利于实际使用。
技术实现思路
为了解决现有技术存在的疏水层稳定性差，需要较长的静置时间才能使用的问题，本专利技术提出一种免修饰超疏水铜层的制备方法及其应用，利用Cu的吸碳性，通过一步电沉积的方法制备的Cu层在不经低能修饰的条件下也能形成具有微纳米结构的超疏水层，实现了超疏水性，而且室温条件下放置3-7天，即可得到超疏水表面，接触角大于150°，滚动角小于10°。具体地，本专利技术是通过如下所述的技术方案实现的：本专利技术第一方面，提供一种免修饰超疏水铜层的制备方法，包括：钢材基体进行前处理；配制电沉积溶液：将铜盐溶液、酒石酸钾钠溶液混合，再加入氢氧化钠，即得；电沉积过程：利用电沉积技术将电沉积溶液沉积在金属表面形成仿生微纳米结构铜层；然后将该金属在室温条件下放置，即可得到免修饰超疏水铜层。本专利技术第二方面，提供一种免修饰超疏水铜层的制备方法在金属表面疏水性改性中的应用。本专利技术一个或多个实施例具有以下有益效果：1)通过合理选择沉积金属的种类和组成，首次发现，在合理的电沉积参数条件下，在金属上电沉积铜金属也能形成仿生微纳米结构铜层，赋予金属表面优异的疏水性能。2)铜对与碳的选择性非常强，具有优异的吸附性能，铜层3天时吸碳量就达到了4.18％，大大缩短了超疏水实现的时间。3)实验发现，相比于现有技术中的超疏水涂层，涂层中的铜占比高有利于提高铜电极的催化能力，同时，单一元素的涂层减少了多个元素涂层可能在溶液中发生原电池腐蚀的几率，同时避免了多元素的复合电沉积，使涂层覆盖更加均匀，成功率在90％以上，可以有效提高涂层使用寿命。4)本专利技术中的超疏水表面制备方法，设备简单，成本极低，成功率极高，对基体试样的形状无特殊要求，具有良好的工业应用前景。附图说明构成本专利技术的一部分的说明书附图用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。以下，结合附图来详细说明本专利技术的实施方案，其中：图1为本专利技术实施例1中超疏水Cu层放置3天时的SEM图(20μm)；图2为本专利技术实施例1中超疏水Cu层放置3天时的SEM图(5μm)；图3为本专利技术实施例1中超疏水Cu层放置3天的EDS图；图4是本专利技术实施例1中水滴在超疏水Cu层上的接触角图。具体实施方式下面结合具体实施例，进一步阐述本专利技术。应理解，这些实施例仅用于说明本专利技术而不用于限制本专利技术的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本专利技术方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。一些金属基表面要实现超疏水不仅需要构造合适的表面粗糙结构，还要有低能物质对表面进行修饰，操作复杂，而且低能修饰物大多都是含氟或者烷烃类有机物质，稳定性不好且易溶于有机溶剂，不适合在水溶液电极上的应用。虽然现有技术公开了一些不经低能修饰也能实现超疏水的疏水层，但室温静置时间过长，不利于实际使用。为了解决现有技术存在的问题，本专利技术提出一种免修饰超疏水铜层的制备方法及其应用。具体地，本专利技术是通过如下所述的技术方案实现的：本专利技术第一方面，提供一种免修饰超疏水铜层的制备方法，包括：钢材基体进行前处理；配制电沉积溶液：将铜盐溶液、酒石酸钾钠溶液混合，再加入氢氧化钠，即得；电沉积过程：利用电沉积技术将电沉积溶液沉积在金属表面形成仿生微纳米结构铜层；然后将该金属在室温条件下放置，即可得到免修饰超疏水铜层。在本专利技术一个或多个实施例中，所述前处理包括砂纸打磨、表面碱洗除油、酸洗活化处理；优选地，用水砂纸将钢试样打磨光滑，然后依次进行表面碱洗除油和酸洗活化处理。在本专利技术一个或多个实施例中，所述碱选自氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠和硅酸钠中的一种或多种；优选地，所述碱为20-40g/L氢氧化钠、15-25g/L碳酸钠、15-25g/L磷酸钠和8-15g/L硅酸钠；优选地，所述碱为30g/L氢氧化钠、20g/L碳酸钠、20g/L磷酸钠和10g/L硅酸钠；优选地，碱洗温度为50-70℃，进一步优选为60℃。在本专利技术一个或多个实施例中，所述酸选自稀硫酸或稀盐酸；优选地，所述活化时间为10-20s，优选为15s。在本专利技术一个或多个实施例中，前处理具体步骤为：将钢基体试样用水砂纸打磨至2000#，并将打磨好的试样放入到无水乙醇中进行超声清洗15-20min，以去除试样表面的油脂和污染物；然后将清洗好的钢试样放入到60℃的碱洗液中碱洗除油15min，碱洗液为30g/L氢氧化钠、20g/L碳酸钠、20g/L磷酸钠和10g/L硅酸钠；用大量清水冲洗后，将钢试样放入到体积分数为10％的稀硫酸水溶液在室温中活化15s。在本专利技术一个或多个实施例中，所述铜盐选自硫酸铜、氯化铜、硝酸铜等中的一种或多种，所述硫酸铜优选为五水硫酸铜；优选地，所述铜盐浓度为5-15g/L，优选为10g/L；优选地，所述酒石酸钾钠浓度为80-120g/L，优选为100g/L。在本专利技术一个或多个实施例中，电沉积溶液的配制方法具体包括：将5-15g/L的五水硫酸铜100ml与100g/L酒石酸钾钠30ml混合，再加入40-60g/L氢氧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种免修饰超疏水铜层的制备方法，其特征在于，包括：/n钢材基体进行前处理；/n配制电沉积溶液：将铜盐溶液、酒石酸钾钠溶液混合，再加入氢氧化钠，即得；/n电沉积过程：利用电沉积技术将电沉积溶液沉积在金属表面形成仿生微纳米结构铜层；然后将该金属在室温条件下放置，即可得到免修饰超疏水铜层。/n

【技术特征摘要】
1.一种免修饰超疏水铜层的制备方法，其特征在于，包括：
钢材基体进行前处理；
配制电沉积溶液：将铜盐溶液、酒石酸钾钠溶液混合，再加入氢氧化钠，即得；
电沉积过程：利用电沉积技术将电沉积溶液沉积在金属表面形成仿生微纳米结构铜层；然后将该金属在室温条件下放置，即可得到免修饰超疏水铜层。


2.根据权利要求1所述的免修饰超疏水铜层的制备方法，其特征在于，所述前处理包括砂纸打磨、表面碱洗除油、酸洗活化处理；
优选地，用水砂纸将钢试样打磨光滑，然后依次进行表面碱洗除油和酸洗活化处理。


3.根据权利要求1所述的免修饰超疏水铜层的制备方法，其特征在于，所述碱选自氢氧化钠、碳酸钠、磷酸钠和硅酸钠中的一种或多种；
优选地，所述碱为20-40g/L氢氧化钠、15-25g/L碳酸钠、15-25g/L磷酸钠和8-15g/L硅酸钠；
优选地，所述碱为30g/L氢氧化钠、20g/L碳酸钠、20g/L磷酸钠和10g/L硅酸钠；
优选地，碱洗温度为50-70℃，进一步优选为60℃。


4.根据权利要求1所述的免修饰超疏水铜层的制备方法，其特征在于，所述酸选自稀硫酸或稀盐酸；
优选地，所述活化时间为10-20s，优选为15s。


5.根据权利要求1所述的免修饰超疏水铜层的制备方法，其特征在于，具体步骤：将钢基体试样用水砂纸打磨至2000#，并将打磨好的试样放入到无水乙醇中进行超声清洗15-20min，以去除试样表面的油脂和污染物；然后将清洗好的钢试样放入到60℃的碱洗液中碱洗除油15min，碱洗液为30g/L氢氧化钠...

【专利技术属性】
技术研发人员：李好，李鹏昌，辛蕾，彭玉洁，于青，王忠卫，
申请(专利权)人：山东科技大学，
类型：发明
国别省市：山东;37