La deposición no electrolítica (ED) o revestimiento no electrolítico se define como el proceso autocatalítico mediante el cual los metales y aleaciones metálicas se depositan sobre superficies conductoras y no conductoras. [1] [2] [3] [4] Estas superficies no conductoras incluyen plásticos, cerámicas y vidrios, etc., que luego pueden volverse decorativas, anticorrosivas y conductoras dependiendo de sus funciones finales. [2] La galvanoplastia, a diferencia de la deposición no electrolítica, solo se deposita en otros materiales conductores o semiconductores cuando se aplica una corriente externa. [5] [6] La deposición electrolítica deposita metales en estructuras 2D y 3D, como tornillos, nanofibras y nanotubos de carbono , a diferencia de otros métodos de revestimiento, como la deposición física de vapor ( PVD ), la deposición química de vapor ( CVD ) y la galvanoplastia , que son limitado a superficies 2D. [7] Comúnmente, la superficie del sustrato se caracteriza mediante pXRD , SEM - EDS y XPS , que transmiten parámetros establecidos en función de su funcionalidad final. [5] Estos parámetros se refieren a indicadores clave de rendimiento cruciales para el propósito de un investigador o de una empresa. [5] [8] La deposición electrolítica continúa ganando importancia dentro de la industria microelectrónica, el petróleo y el gas y la industria aeroespacial. [9]
La deposición electrolítica fue descubierta casualmente por Charles Wurtz en 1846. [10] Wurtz notó que el baño de níquel-fósforo, cuando se dejaba sobre la mesa, se descomponía espontáneamente y formaba un polvo negro. [10] 70 años después, François Auguste Roux redescubrió el proceso de deposición no electrolítica y lo patentó en Estados Unidos como el 'Proceso de producción de depósitos metálicos'. [6] [10] Roux depositó níquel-pósforo (Ni-P) mediante deposición no electrolítica sobre un sustrato, pero su invento no se comercializó. [10] [6] En 1946, Abner Brenner y Grace E. Riddell redescubrieron el proceso mientras trabajaban en la Oficina Nacional de Estándares . [6] [11] [12] Presentaron su descubrimiento en la Convención de 1946 de la Sociedad Estadounidense de Electroplaters (AES); un año después, en la misma conferencia propusieron el término "electroless" para el proceso y describieron formulaciones de baño optimizadas, [13] que dieron lugar a una patente. [13] [14] [15] Sin embargo, ni Abner ni Riddell se beneficiaron financieramente de la patente presentada. [16] La primera depósito comercial de Ni-P fue Leonhardt Plating Company en Cincinnati, seguida por Kannigen Co. Ltd en Japón, que revolucionó la industria. [10] [3] [2] La comercialización de Leonhardt de la deposición no electrolítica fue un catalizador para el diseño y la patente de varios baños de deposición, incluido el enchapado de metales como Pt, Sn, Ag y sus aleaciones. [2] [6] [15]
Un proceso elemental de deposición no electrolítica es la reacción de Tollens, que se utiliza a menudo en demostraciones científicas. La reacción de Tollens deposita una capa de plata metálica uniforme a través de ED sobre el vidrio formando una superficie reflectante, de ahí su referencia como espejos plateados . [17] [18] Esta reacción se utiliza para probar la presencia de aldehídos en una solución básica de nitrato de plata. [17] Esta reacción se utiliza a menudo como método crudo utilizado en demostraciones químicas para la oxidación de un aldehído a ácido carboxílico y la reducción del catión de plata a plata elemental (superficie reflectante). [17]
La deposición no electrolítica es un proceso importante en la industria electrónica para la metalización de sustratos. Otras metalizaciones de sustratos también incluyen la deposición física de vapor (PVD), la deposición química de vapor (CVD) y la galvanoplastia , que producen películas metálicas delgadas pero requieren alta temperatura, vacío y una fuente de energía, respectivamente. [19] La deposición no electrolítica es ventajosa en comparación con los métodos de deposición PVD, CVD y galvanoplastia porque se puede realizar en condiciones ambientales. [2] [5] El método de revestimiento para los baños de Ni-P, Ni-Au, Ni-B y Cu es distinto; sin embargo, los procesos implican el mismo enfoque. El proceso de deposición no electrolítica se define mediante cuatro pasos: [2] [3] [20]
El baño de deposición no electrolítica consta de los siguientes reactivos que afectan la síntesis del producto secundario, la vida útil del baño y las tasas de recubrimiento.
El potencial disminuye a medida que la solución se vuelve más básica y esta relación se describe en el diagrama de Pourbaix . [5]
Todos los parámetros anteriores son responsables de controlar la liberación del producto secundario. [2] [5] [10] La formación de productos secundarios afecta negativamente al baño al envenenar el sitio catalítico y altera la morfología de la nanopartícula metálica. [2] [5] [10]
El proceso de deposición no electrolítica se basa en la química redox en la que se liberan electrones de un agente reductor y un catión metálico se reduce a metal elemental. [2] [3] Las ecuaciones (1) y (2) muestran el proceso de ED simplificado donde un agente reductor libera electrones y el catión metálico se reduce respectivamente. [5]
El baño de galvanoplastia y deposición no electrolítica realiza activamente reacciones catódicas y anódicas en la superficie del sustrato. [2] [3] El potencial de electrodo estándar del metal y el agente reductor son importantes como fuerza impulsora para el intercambio de electrones. [3] El potencial estándar se define como el poder de reducción de los compuestos. En la Tabla 1 se muestran ejemplos, en los que el Zn con un potencial estándar más bajo (-0,7618 V) actúa como agente reductor del cobre (0,3419 V). [2] Los potenciales calculados para la reacción de la sal de cobre y el zinc metálico son ~1,1 V, lo que significa que la reacción es espontánea.
Dado que la deposición no electrolítica también utiliza los principios de los potenciales de electrodos estándar, también podemos calcular el potencial, E, de iones metálicos en una solución regida por la ecuación de Nernst (3). [2]
[2]
E es el potencial de la reacción, E 0 es el potencial de reducción estándar de la reacción redox y Q es la concentración de los productos dividida por la concentración de los reactivos . [2]
Los electrones para la DE se producen mediante potentes agentes reductores en el baño de deposición, ej. formaldehído, borohidruro de sodio, glucosa, hipofosfito de sodio, peróxido de hidrógeno y ácido ascórbico. [2] [3] Estos agentes reductores tienen potenciales estándar negativos que impulsan el proceso de deposición.
El potencial estándar del agente reductor y la sal metálica no es el único determinante de la reacción redox para la deposición no electrolítica. La deposición convencional de nanopartículas de cobre utiliza formaldehído como agente reductor. [21] Pero la E 0 del formaldehído depende del pH. A pH 0 del baño de deposición la E 0 de formaldehído es 0,056 V, pero a pH=14 la E 0 = -1,070. [22] El formaldehído (pH 14) es un agente reductor más adecuado que a pH=0 debido al potencial estándar negativo más bajo, lo que lo convierte en un potente agente reductor. [20] La posible dependencia del pH se describe en el diagrama de Pourdaix .
El primer mecanismo para la deposición no electrolítica, el mecanismo del hidrógeno atómico, fue propuesto por Brenner y Riddell para un baño de deposición de níquel. [5] [3] Esto abrió el camino para que otros científicos propusieran varios otros mecanismos. [10] Los cuatro ejemplos de mecanismo clásico de deposición no electrolítica para la codeposición de Ni-P incluyen: (1) mecanismo de hidrógeno atómico, (2) mecanismo de transferencia de hidruro, (3) mecanismo electroquímico y (4) mecanismo de hidróxido metálico. [10] Los mecanismos clásicos se centraban en la formación de nanopartículas de Ni-P sobre un sustrato. El niquelado electrolítico utiliza sales de níquel como fuente de cationes metálicos e hipofosfito (H 2 PO 2 - ) (o un compuesto similar al borohidruro ) como reductor. [5] Una reacción secundaria forma fósforo elemental (o boro ) que se incorpora al recubrimiento. Los métodos de deposición clásicos siguen los siguientes pasos:
Brenner y Riddle propusieron el mecanismo del hidrógeno atómico para la evolución de Ni y H2 a partir de una sal de Ni, agente reductor, agente complejante y estabilizadores. [2] [3] [5] Usaron una sal de cloruro de níquel (NiCl 2 ), hipofosfito de sodio (NaH 2 PO 2 ), agente reductor, agentes complejantes de uso común (por ejemplo, citrato, EDTA y tridentados, etc.) y estabilizadores. como el bromuro de cetiltrimetilamonio (CTAB). [5]
Las reacciones redox [4]-[6] proponen que el hidrógeno adsorbido (H ad ) reduce el Ni 2+ en la superficie catalítica y tiene una reacción secundaria donde se desprende gas H 2 . [5] En 1946 se descubrió que se formaba una aleación de Ni-P y gas hidrógeno debido a una reacción secundaria del hipofosfito con hidrógeno atómico para formar fósforo elemental. Los potenciales estándar para las ecuaciones [4], [5] y [6] son 0,50 V, -0,25 V y 0 V respectivamente. [5] El potencial del baño en general es 0,25 V. Nota: el potencial para la ecuación [4] es +0,50 V porque la reacción se ha invertido para ilustrar la oxidación. [ cita necesaria ]
Cálculo E= E rojo - E ox = (-0,25 V)-(-0,50 V) = 0,25 V (reacción espontánea)
Sin embargo, el mecanismo del hidrógeno atómico no tuvo en cuenta la codeposición de Ni-P. [3] [5] [6] [13]
Hersh propuso el mecanismo de transferencia de hidruro en 1955, que representaba la deposición de fósforo elemental. [2] [5] Hersh propuso el mecanismo de transferencia de hidruro que fue ampliado en 1964 por RM Lukes para explicar la deposición de P elemental. [3] [5] Se pretendía que la transferencia de hidruro en un ambiente básico [7] formara el hidruro ( H - ) que redujo el Ni 2+ a Ni 0 [8], y se combina con agua para formar H 2 gaseoso [9]. [5] Lukes razonó que el ion hidruro provenía del hipofosfito y, por lo tanto, explica la codeposición de Ni-P a través de una reacción secundaria. [5] El potencial estándar para las ecuaciones [7], [8] y [9] son 1,65 V, -0,25 V y 0 V respectivamente. [5] Nota: el potencial para las ecuaciones [7] y [8] es +0,50 V porque la reacción se ha invertido para ilustrar la oxidación.
Cálculo E= E rojo - E ox = (-0,25 V)-(-1,65 V) = 1,45 V (reacción espontánea)
El mecanismo electroquímico también fue propuesto por Brenner y Riddell, pero luego fue modificado por otros, incluidos los científicos Machu y El-Gendi. [5] Propusieron que se produjo una reacción electrolítica en la superficie del sustrato, y que H 2 [11] y P [13] son subproductos de la reducción del ion Ni 2+ [10] [11]. [3] [10] [5] La reacción anódica [10] tiene un potencial de reducción de 0,50 V. Las reacciones catódicas [10], [11], [12] y [13] tienen potenciales de reducción de 0,50, -0,25 V, 0 V y 0,50 V respectivamente. [5] El potencial de la reacción es 1,25 V (reacción espontánea).
Nota: el potencial para las ecuaciones [10] y [13] es +0,50 V porque la reacción se ha invertido para ilustrar la oxidación.
Cálculo 1 0 reacción de [10] y [11]
E = E rojo - E ox = (-0,25 V)-(-0,50 V) = 0,25 V (reacción espontánea)
Cálculo 2 0 reacción de [11] y [13]
E = E rojo - E ox = (-0,25 V+ 0,50 V)-(-0,50 V) = 0,75 V (reacción espontánea)
Las reacciones 1 0 y 2 0 tienen potenciales positivos y, por lo tanto, son reacciones competitivas dentro del mismo baño. [ cita necesaria ]
Propuesto en 1968, los iones de Ni solvatados en la superficie catalítica ionizan el agua y forman un ion de Ni hidróxido coordinado. [9] El ion Ni 2+ hidrolizado cataliza la producción de Ni, P y H 2 . El agua se ioniza en la superficie de Ni [14] y los iones Ni 2+ se coordinan con los iones de hidróxido [15]. [5] El Ni 2+ coordinado se reduce [16] y el NiOH + ab se adsorbe en la superficie del sustrato. [5] En la superficie, H 2 PO 2 - reduce NiOH + ab a Ni 0 elemental [17]. [5] El H elemental liberado se recombina para formar gas hidrógeno y [18] y el Ni elemental cataliza la producción de P [19]. [5] El Ni depositado actúa como catalizador debido a la reducción continua por H 2 PO 2 - [17]. [5] Cavallotti y Salvago también propusieron que la combinación NiOH + ab [20] y agua se oxida a Ni 2+ y H elemental. [5] El NiOH + ab participa en una reacción competitiva [21a] (se refiere a la reacción [17] ) y [21b] para Ni elemental y Ni hidrolizado respectivamente. [5] Finalmente, el H 2 PO 2 - se oxida [22] y el H elemental [21a/21b] se recombina para formar y el H 2 evoluciona para ambas reacciones. [5] Las reacciones generales se muestran en la ecuación [23]. [5]
NB: el potencial para las ecuaciones [16], [19], [21a], [21b] y [22] es +0,50 V porque la reacción se ha invertido para ilustrar la oxidación.
Cálculo 1 0 reacción de [17]
E = E rojo - E ox = (-0,25 V)-(-0,50 V) = 0,25 V (reacción espontánea)
Cálculo 2 0 reacción de [19]
E = E rojo - E ox = (0,50)-(0,25V) = 0,25 V (reacción espontánea)
Reacción general [23] incluida la reducción de Ni 2+
E = E rojo - E ox = (-0,25 V + 0,50 V) -(-0,50 V) = 0,75 V (reacción espontánea)
La deposición no electrolítica cambia la tensión mecánica, magnética, interna, la conductividad y el brillo del sustrato. [2] [3] [5] La primera aplicación industrial de la deposición electrolítica realizada por Leonhardt Plating Company ha florecido en la metalización de plásticos., [3] [23] [24] textiles, [25] prevención de la corrosión, [ 26] y joyería. [3] La industria de la microelectrónica, incluida la fabricación de placas de circuitos, dispositivos semiconductores, baterías y sensores. [2] [3]
La metalización típica de plásticos incluye níquel-fósforo, níquel-oro, níquel-boro, paladio, cobre y plata. [23] Los plásticos metalizados se utilizan para reducir el peso del producto metálico y reducir el costo asociado con el uso de metales preciosos. [27] El niquelado electrolítico se utiliza en una variedad de industrias, incluidas la aviación, la construcción, los textiles y las industrias del petróleo y el gas. [9]
El blindaje contra interferencias electromagnéticas (blindaje EMI) se refiere al proceso mediante el cual los dispositivos se protegen de las interferencias de la radiación electromagnética. [5] [8] La interferencia afecta negativamente al funcionamiento de los dispositivos; Las fuentes de EMI incluyen ondas de radio, teléfonos móviles y receptores de televisión. [5] [8] La Administración Federal de Aviación y la Comisión Federal de Comunicaciones prohíben el uso de teléfonos celulares después de que un avión esté en el aire para evitar interferencias con la navegación. [28] [29] Los revestimientos elementales de Ni, Cu y Ni/Cu en los aviones absorben señales de ruido en el rango de 14 Hz a 1 GHz. [5]
El recubrimiento elemental de níquel previene la corrosión de los tubos de acero utilizados para la perforación. [5] En el centro de esta industria, el níquel recubre recipientes a presión, álabes de compresores, reactores, álabes de turbinas y válvulas. [5]
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