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電化學(xué)氧化對液態(tài)金屬表面張力的影響機制：表面張力可隨電位變化
來源：Jerry 液態(tài)金屬FM 瀏覽 315 次 發(fā)布時間:2024-11-07
液態(tài)金屬的表面張力是決定其應(yīng)用性能的關(guān)鍵因素之一?，F(xiàn)有研究表明，通過電化學(xué)氧化可以顯著降低液態(tài)鎵銦合金的表面張力，這不僅能改變其形態(tài)，還可能賦予其新的功能特性。此外，液態(tài)金屬的電化學(xué)行為在電池電極材料、電化學(xué)電容器等領(lǐng)域也得到了深入研究，因為這種材料能夠在表面氧化或還原的過程中調(diào)控其界面特性和反應(yīng)活性。
電化學(xué)氧化作用可以誘導(dǎo)液態(tài)金屬表面生成不同的氧化物或氫氧化物薄層，而這種表面變化對界面張力的影響非常顯著。例如，研究發(fā)現(xiàn)，氧化鎵薄膜會在特定的電位下破裂并溶解，使得液態(tài)金屬的表面張力急劇下降。通過控制電化學(xué)氧化的電位，能夠在微觀層面實現(xiàn)液態(tài)金屬的“開關(guān)”效應(yīng)，有望用于開發(fā)可控液態(tài)金屬元件。
近日，Michael D.Dickey教授團隊針對鎵銦合金在強堿性條件下的電化學(xué)氧化過程進行了系統(tǒng)分析，深入探討了電化學(xué)氧化對液態(tài)金屬表面張力的影響機制。作者采用線性掃描伏安法（LSV）、循環(huán)伏安法（CV）和電流-電壓時序分析等電化學(xué)技術(shù)，以1 M氫氧化鈉（NaOH）溶液為電解液，在電化學(xué)氧化過程中實時測量鎵銦合金液滴的電流和界面張力變化，通過圖像分析軟件進行液滴形狀測量，從而得到其在不同電位下的界面張力值。相關(guān)研究成果以The Role of Electrochemical Oxidation on the Interfacial Tension of Eutectic Gallium Indium為題發(fā)表在ACS Electrochemistry.研究發(fā)現(xiàn)，根據(jù)電位的不同，鎵銦合金在電化學(xué)氧化過程中表現(xiàn)出六個獨特的反應(yīng)區(qū)域，每個區(qū)域?qū)?yīng)著不同的界面現(xiàn)象和表面張力變化：
非氧化區(qū)域：在開路電位以下，液態(tài)金屬界面保持高張力狀態(tài)，接近金屬本體張力，因為表面氧化層在高堿性環(huán)境中迅速溶解，無法形成穩(wěn)定的氧化皮膜。
初始氧化區(qū)域：在略高于開路電位時，鎵開始發(fā)生氧化反應(yīng)，但生成的氧化物不在表面堆積，而是持續(xù)溶解，因此表面張力沒有明顯降低。鈍化薄膜形成：隨著電位繼續(xù)升高，鎵表面逐漸形成一層薄的氧化膜，電流開始下降，表面逐漸進入鈍化狀態(tài)，推測該薄膜為鎵氧化物的水合物薄層。
鈍化膜破裂：在更高的電位下，表面鈍化膜開始分解，界面張力迅速下降，表明表面氧化物膜不再穩(wěn)定，開始被溶解并形成新的界面形態(tài)。
穩(wěn)定氧化階段：在這一電位范圍內(nèi)，氧化鎵物種形成溶解平衡，表面張力隨電位線性下降，金屬液滴的形狀變得更加不穩(wěn)定并開始形成枝狀結(jié)構(gòu)等復(fù)雜形態(tài)。
再鈍化階段：在更高電位下，表面部分重新鈍化，表面張力略有回升，液滴變形的趨勢得到一定抑制，推測是表面形成了新的氧化層薄膜。
通過這些實驗和電化學(xué)分析，作者不僅展示了鎵銦合金在電化學(xué)氧化過程中的界面變化，還進一步揭示了表面張力隨電位變化的規(guī)律。這一研究為控制液態(tài)金屬的表面特性提供了新思路，未來有望應(yīng)用于開發(fā)可精確控制的柔性電子元件、液態(tài)金屬傳感器及微流體操控系統(tǒng)。
圖1電化學(xué)線性掃描伏安圖（LSV，藍色實線）及液滴電流的對數(shù)圖（紅色虛線），針對1 M NaOH中的鎵銦合金，掃描速率為0.5 mV/s。垂直虛線將圖中標(biāo)記的六個反應(yīng)區(qū)域區(qū)分開來，標(biāo)記出三個氧化峰P1、P2和P3。
圖2(a)在300 mV/s掃描速率下，鎵銦合金液滴在1 M NaOH中的循環(huán)伏安圖。(b)不同掃描速率（50至600 mV/s）下的鎵銦合金液滴循環(huán)伏安圖。
圖3(a)鎵銦合金（藍色實線）與純鎵（紅色虛線）在1 M NaOH中以16000 mV/s的高掃描速率記錄的快速掃描循環(huán)伏安圖。(b)鎵銦合金在不同電位窗口下的快速掃描循環(huán)伏安圖。圖例中列出了每個掃描的最大電位，掃描速率為16000 mV/s。橙色圓圈標(biāo)記處顯示了與第一次電子轉(zhuǎn)移反應(yīng)（Ga到Ga+）相關(guān)的微小肩峰。
圖4(a)鎵銦合金在不同濃度NaOH中的近鈍化區(qū)伏安圖。(b)鎵銦合金在不同濃度NaOH中的完整線性掃描伏安圖，掃描速率為100 mV/s。
圖5電流的對數(shù)圖（藍色實線）與液態(tài)金屬界面張力（IFT，紅色虛線）隨電位變化的關(guān)系。鎵銦合金液滴的體積為0.025 mL，電位掃描速率為1 mV/s。