Студентка пятого курса специалитета химического факультета Воронежского государственного университета Алина Тинаева разработала покрытие для металлов на основе сплава цинк-никель. Подобные покрытия имеют преимущество перед многими монометаллическими покрытиями, так как сочетают полезные свойства двух и более металлов. Цинк-никелевые покрытия представляют особый интерес ещё и потому, что отвечают самым высоким требованиям по защите стали от коррозии.
– Суть разработки состоит в получении сплавных цинк-никелевых покрытий из аммиачно-хлоридных электролитов с относительно низкими концентрациями компонентов раствора, которые могут быть использованы для защиты изделий от коррозии. Уникальность цинк-никелевых сплавов – в особом механизме формирования слоя и самой структуре покрытия. Ещё одна особенность цинк-никелевых сплавов связана с кинетикой их электроосаждения. Этот процесс носит название «аномального» соосаждения, при котором, покрытия, полученные из электролита с эквимолярными концентрациями никеля и цинка, имеют в составе значительно меньшее содержание никеля. Большинство функциональных свойств гальванических покрытий определяется структурой, фазовым и химическим составом сплава, наличием инородных включений. Покрытия сплавом цинк-никель при оптимальном содержании никеля (8-17%) характеризуются в 3-10 раз большей коррозионной стойкостью по сравнению с цинковыми покрытиями. При этом наибольшей защитной способностью обладают цинк-никелевые покрытия, состоящие из гамма-фазы (Ni5Zn21) с 10-15 % никеля. Такое покрытие эластично, имеет анодный характер защиты изделия и является более коррозийонно-стойким: продукты коррозии образуются на 14 сутки. Защитные свойства покрытий из цинк-никеля сохраняются при температурах до 160 °C, – рассказала Алина Тинаева.
Цинк-никелевые покрытия всё чаще применяют для замены токсичных и дорогостоящих кадмиевых и кадмий-титановых покрытий. В США цинк-никелевые покрытия наносят на детали радиоэлектронной аппаратуры и авиакосмической техники. В России эти покрытия широко применяют в трубной промышленности – их наносят на муфты насосно-компрессорных труб для повышения коррозионно-механической прочности их резьбовых соединений, а также на трубы, используемые для изготовления тормозных и топливных систем автомобилей.
Научный руководитель Алины – заведующий кафедрой физической химии Олег Козадеров – рассказал об уникальности полученных данных:
– Выбор темы научного исследования обусловлен необходимостью развития новых способов синтеза наноматериалов с особыми свойствами. Исследуемая в работе система никель-цинк интересна потому, что может быть использована, с одной стороны, для защиты стальных и иных металлических конструкций от коррозионного разрушения, а с другой –служить основой для получения нанопористого никеля, который многим может быть известен со школы как катализатор ряда реакций. Изучение закономерностей получения никель-цинковых покрытий в зависимости от разных условий (состав раствора электролита, его кислотность, наличие комплексообразующих добавок) является актуальной проблемой электрохимического материаловедения. В ходе исследования удалось сделать многое: получить данные о кинетике процесса электроосаждения покрытий сплавами никель-цинк, их химическом и фазовом составе в зависимости от различных факторов, а также о роли глицина – органической добавки, улучшающей, как оказалось, морфологические и противокоррозионные свойства синтезируемых покрытий. Сейчас работаем над выявлением закономерностей осаждения отдельных компонентов осаждаемого сплава – цинка и никеля. Задача непростая, которая осложняется ещё и тем, что в исследуемых условиях возможен побочный процесс выделения водорода. Главный результат проделанной работы – получение комплекса экспериментальных данных, позволяющих синтезировать никель-цинковое покрытие определённого состава с заданными свойствами. В будущем планируется модифицировать полученные никель-цинковые покрытия с применением метода селективного растворения, когда из сплава химически (например, выщелачиванием) или электрохимически (под действием электрического тока) вытравливается более активный компонент – в данном случае это цинк. Полученный в итоге материал обладает очень интересными свойствами. Он каталитически высокоактивный, то есть существенно ускоряет целый ряд практически значимых реакций, прежде всего, с участием водорода. При этом он намного дешевле традиционных катализаторов – платины, палладия. Учитывая всё возрастающий интерес к водородной энергетике, синтез такого материала представляется весьма актуальным. Кроме того, метод селективного растворения позволяет получать микро- и нанопористый материал, который обладает очень большой площадью поверхности, что дополнительно способствует повышению его активности.
По результатам работы учёные выпустили три статьи, две из которых переведены на английский язык и опубликованы в международных журналах "Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces" (квартиль Q2) и «Condensed Matter and Interphases». Химики ВГУ продолжают детальные исследования в области коррозии и кинетики электроосаждения сплава цинк-никель из аммиачно-хлоридных электролитов.
