Caratterizzazione della deposizione elettrochimica di rame e ossido di rame(I) su substrati di acciaio inossidabile rivestiti con nanotubi di carbonio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6786 (2023) Citare questo articolo

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I rivestimenti nanocompositi composti da nanotubi di carbonio e varie forme di rame sono stati preparati mediante un processo in due fasi. In primo luogo, i nanotubi di carbonio sono stati rivestiti su un substrato di acciaio inossidabile mediante deposizione elettroforetica a corrente costante. Quindi, il processo di deposizione elettrochimica utilizzando soluzioni di solfato di rame(II) è stato eseguito in condizioni di elevato sovrapotenziale. La modifica della concentrazione dei cationi rame(II) nella soluzione e del tempo di deposizione ha portato alla formazione di varie forme di cristalli. I campioni e le loro sezioni trasversali sono stati osservati ed esaminati utilizzando un microscopio elettronico a scansione dotato di un sistema di spettroscopia a dispersione elettronica. L'analisi della composizione chimica ha rivelato che oltre ai cristalli di rame puro si sono formati cristalli caratterizzati dalla presenza di rame e ossigeno. Pertanto, è stata applicata la spettroscopia Raman per determinare la stechiometria sconosciuta di questo ossido di rame. L'analisi puntuale e approfondita ha identificato l'ossido di rame(I) sotto forma di cristalli di diverse dimensioni a seconda della concentrazione della soluzione di solfato di rame(II). Per confermare questi risultati, sono state eseguite anche misurazioni della diffrazione dei raggi X con incidenza radente. la combinazione dei metodi applicati ha fornito la descrizione dettagliata della preparazione dei rivestimenti nanocompositi con il meccanismo proposto di formazione dell'ossido di rame(I).

I metodi elettrochimici sono ancora considerati una delle tecniche più favorevoli per la produzione di rivestimenti compositi, nonostante il continuo sviluppo di altri metodi [come la deposizione fisica da fase vapore (PVD) o la deposizione chimica da fase vapore (CVD)]. Si distinguono dagli altri per la loro elevata versatilità, ripetibilità e semplicità in combinazione con un controllo preciso sulle proprietà dei prodotti ottenuti1,2. Gli altri vantaggi sono il basso costo, la ridotta quantità di materiali di scarto e la facile scalabilità delle apparecchiature utilizzate nei processi elettrochimici. Inoltre, modificando i parametri del processo, è possibile personalizzare le proprietà cruciali dei rivestimenti come spessore, ruvidità e morfologia3,4,5. Questi vantaggi, insieme alla varietà dei materiali disponibili e alle loro applicazioni, pongono l'elettrochimica sotto i riflettori per i ricercatori di molti campi della scienza. I rivestimenti compositi, in cui le particelle nella matrice conduttiva potrebbero essere metalliche, polimeriche o ceramiche, sono stati utilizzati con successo in elettronica, ingegneria delle superfici, aerospaziale o protezione dalla corrosione6,7,8,9,10,11. I processi di deposizione elettrochimica (ECD) sono noti fin dall'inizio del XIX secolo, ma la ricerca è ancora in corso per spiegarne i meccanismi. Sebbene le reazioni elettrochimiche che si verificano durante il processo di elettrodeposizione siano relativamente facili da bilanciare mediante diverse equazioni redox, le singole fasi del processo che si svolgono secondo meccanismi specifici sono ancora oggetto di ricerca e modellizzazione del processo12,13. Per dirla semplicemente, l'ECD si basa sulla modifica della superficie del substrato conduttivo con un rivestimento sottile e aderente del materiale desiderato depositato dalla soluzione. Si svolge all'interfaccia delle due fasi: liquida (elettrolita) e solida (elettrodi) nel circuito elettrico chiuso. Il sistema potrebbe trovarsi lontano dallo stato di equilibrio chimico, perché i potenziali applicati potrebbero differire dai valori di equilibrio determinati dall'equazione di Nernst o dai diagrammi di Pourbaix14. Pertanto, controllando il potenziale applicato e il pH, è possibile ottenere diverse forme (chimiche, strutturali o cristallografiche) di materiale dalla stessa soluzione15,16,17.

Il rame è uno dei metalli più utilizzati nel settore e attualmente il materiale più utilizzato nell'ECD. Ciò è dovuto principalmente alla sua eccellente conduttività termica ed elettrica e alle proprietà anticorrosive. Nelle soluzioni acide, i cationi rame(II) (Cu2+) vengono direttamente ridotti a rame metallico (Cu) secondo la seguente reazione: