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Scientific Reports 12권, 기사 번호: 16537(2022) 이 기사 인용

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이것은 원 포트 회전 양극 전기 공학 절차를 통한 동심원 다중 요소 금속 카펫 제작에 대한 간략한 보고서입니다. 양극성 전극(BPE)인 니켈 폼의 현수 조각은 구동 전극에 충분한 DC 전위가 적용될 때 금속 이온의 3원 혼합물을 포함하는 수용액에서 회전합니다. 이 기술의 사용자 정의 가능한 도구는 전위 구배, 회전 및 농도/운동적 분극입니다. 다중 요소 방사형 그래디언트 생성은 일반적으로 단일 포트 예술적 보석 전기 도금에서 테스트됩니다.

원팟 전착(전기도금)은 다양한 유형의 2차원/3차원 재료 코팅 제조를 위해 전도성 기판에 용해된 전기 활성 이온 종, 특히 금속 이온을 증착하기 위한 손쉬운 접근 방식입니다. 전기도금의 한계 중 하나는 적용된 필드에 수직인 재료의 기울기(고립된 재료 영역)를 생성할 수 없다는 점입니다. 이는 기존 전기화학에서 작업 전극에 걸쳐 적용된 전위의 균일성으로 인해 발생합니다.

양극성 전기화학(BE)은 직접적인 전기 연결 없이 전해질에 담긴 양극성 전극(BPE) 전체에 전위 구배를 제공합니다. 적용된 계면 전위차는 BPE의 말단(극)에서 산화환원 반응을 유도합니다. 고정 부동 전도체를 갖춘 전기활성 금속 이온을 포함하는 전해질에서 이러한 능력의 업그레이드된 형태는 무선 전기도금4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14에 유용할 것입니다. 구동 전극에 충분한 DC 전위를 구현하면 구동 전극 전체에 전위 강하가 발생하여 매달린 물체의 말단 사이에 선형적으로 감소하는 전위차가 생성되어 BPE의 양쪽에서 반대 산화환원 반응을 유도합니다15,16, 17,18.

이미 양극 전기도금 연구19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31의 주요 단점은 양극 음극/양극 위치의 간헐적인 변화가 불가능하므로 전착 BPE의 한 극에서만 발생합니다. 이를 위해, 양극/음극(32,33,34)의 시공간 극성 변화는 AC 전원 공급 장치를 통해 달성되어 구동 전극에 교류 전위를 구현할 수 있습니다. 지난 10년 동안 일부 연구에서는 다양한 유형의 자체 추진을 가능하게 하는 무선 전도성 물체의 제어 동작을 탐구했습니다. BPE 마진의 전체 360°에 계면 구배 전위를 적용할 수 있는 보다 철저하고 사용자 정의 가능한 접근 방식은 모터 컨트롤러와 DC 전원 공급 장치를 사용하여 BPE를 회전시키는 것입니다. 이를 통해 BPE 전반에 걸쳐 균일하고 연속적이며 일관된 전위 구배를 적용할 수 있습니다. 이 방법으로 제조된 전기도금 복합재는 분리된 금속 합금40의 동심원 다중 원소 조성을 제공합니다.

이 연구에서, 적용된 DC 전위, BPE의 회전 속도, 금속 이온의 고유 운동 분극(표준 환원 전위) 및 농도 분극(전구체 농도)의 함수로서 양극 구배 전위의 조정은 감지된 조합 구배 전위를 생성합니다. 회전된 BPE에 의해 BPE의 중심에서 경계까지 동심원의 고립된 합금을 부여합니다. 우리는 양극성 전극인 니켈 폼(NF)에서 Cu-Ni-Mn과 Cu-Co-Mn의 두 가지 일반적인 삼원 혼합물의 예술적인 단일 냄비 전기 공학에서 이 방법론을 활용했습니다.

Cu-Ni-Mn의 2차원 카펫과 유사한 격리된 동심원 금속 영역은 일반적으로 회전 DC 양극 전기 도금을 통해 준비됩니다. ca의 이격 거리를 두고 한 쌍의 스테인레스 스틸 구동 전극 사이에 일정한 DC 전위(4~12V)를 적용했습니다. 양극성 세포의 길이는 2.5 cm입니다. 일반적인 BPE인 NF(10×12mm) 한 조각을 모터 컨트롤러의 샤프트에 연결하고 특정 금속 이온 용액이 담긴 BP 셀 중앙에 담그고 100°C의 일정한 속도로 회전시켰다. rpm(실험 섹션에 대한 추가 정보는 SI에 있음). 그림 S1은 변경되지 않은 회전 팁에 BPE를 부착한 위치를 보여줍니다(상단은 그림 S1에 지정되어 있음). BPE의 양면에 형성된 동심원 구배가 대칭이기 때문에 전기도금의 하프타임에 BPE의 부착 위치를 한쪽에서 다른 쪽으로 교환함으로써 이 문제를 해결할 수 있습니다. BPE의 가장자리에서 중심까지의 전위 구배의 존재를 고려할 때, 서로 다른 표준 환원 전위를 갖는 전기 활성 금속 이온의 다양한 농도를 선택하면 운동 및 농도 분극을 제어하여 BPE 전체에 걸쳐 제작된 페이드 동심 구배를 제어할 수 있습니다. 또한, 회전을 통해 극성이 바뀌므로 금속 카펫의 원포트 전기 공학이 가능합니다. 무엇보다도 우리는 금속층의 전기도금 및 전기분해에 대한 BPE의 양극 및 음극 극의 실제 역할을 탐구하는 것을 목표로 했습니다. 이를 위해 금속 카펫 형성에서 BPE의 양극과 음극의 역할을 구별하기 위해 손쉬운 정적 양극 전기 도금이 수행되었습니다. 그림 S2에 표시된 것처럼 선형 금속 구배가 음극 측에 형성되었습니다. 음극층에서 증착된 층의 양극 용해 가능성은 3개의 개별 니켈 폼에 별도로 금속 이온을 정적 전기도금(8V에서)을 통해 연구되었습니다(그림 S3). 음극 전기도금 후, 전기도금층의 용해 가능성을 고려하기 위해 BPE의 180° 회전을 통해 양극 위치를 교환했습니다. Cu 층의 경우 회전 후 BPE 가장자리의 기본 증착 층이 양극 전위에서 용해되었습니다(그림 S3 참조). Ni의 경우 용해도가 낮은 반면, Mn의 경우 증착된 음극층은 변화하지 않아 Cu > Ni > > Mn의 점진적인 감소 추세를 확인했습니다. 이러한 상대적 경향은 Cu, Ni 및 Mn의 회전 전기도금을 따라 결정됩니다.