Wykorzystanie technik elektrochemicznych do alternatywnego wytwarzania tarcz niklowych

Niniejsza rozprawa doktorska dotyczy elektrochemicznego osadzania niklu. Celem pracy jest opracowanie nowej metody sporządzania wodnych kąpieli galwanicznych służących do przygotowania tarcz do akceleratorowej produkcji izotopów medycznych. Przygotowanie owych tarcz polega na elektrochemicznym osadzeniu całej ilości niklu rozpuszczonej w kąpieli galwanicznej, która przygotowywana jest przez rozpuszczenie metalicznego pyłu niklowego. Należy wyróżnić trzy zasadnicze etapy pracy, z których każdy był analizowany w trakcie realizacji pracy. Uproszczono sposób rozpuszczania metalicznego niklu, dzięki zastosowaniu mieszaniny niezawierającej HNO3. W jej skład wchodzą: H2SO4 i H2O2 we właściwych proporcjach. Proces rozpuszczania przebiega szybko, a uzyskany roztwór jest bezpośrednio wykorzystywany do otrzymania kąpieli galwanicznej bez konieczności stosowania dodatkowych etapów preparatywnych, takich jak: odparowanie, krystalizacja, rozpuszczanie, które są z reguły stosowane, gdy rozpuszczalnikiem metalu jest stężony HNO3. Opracowano sposób przygotowania kąpieli galwanicznej z roztworu uzyskanego z rozpuszczania niklu. Regulacja kwasowości kąpieli słabo kwasowych (pH=3,8-5,3) prowadzona jest poprzez użycie octanów. Regulacja kąpieli słabo zasadowych (pH=9,2-9,9) prowadzona jest z użyciem wodnego roztworu amoniaku, co jest niemożliwe w przypadku kąpieli kwasowych z uwagi na wytrącające się związki niklu. W badanych kąpielach o pH>3,8 Ni2+ występuje głównie jako kompleks z octanami. Analiza wpływu gęstości prądu na jakość osadu w połączeniu z analizą wpływu pH pozwoliły na określenie optymalnych parametrów osadzania, które prowadzą do otrzymania metalicznych warstw niklu trwałych mechanicznie i dobrze przylegających do podłoża o litej oraz stosunkowo gładkiej powierzchni wolnej od pęknięć,. Najlepszej jakości osady uzyskiwane są dla pH kąpieli z zakresu ok. 4,3-4,8 przy gęstości prądu osadzania ok. 60-140 mA/cm2 . Parametry te pozwalają na osadzenie co najmniej 95% z 50 mg niklu rozpuszczonych w 2,0-2,1 ml kąpieli w czasie ok. 7,2h. Przedstawiona została również analiza matematyczna osadzania metalu przebiegającego równolegle do wydzielania wodoru na podłożu. Wykazuje ona, że dotychczas opisane w literaturze podejście opierające się na założeniu proporcjonalności pomiędzy powierzchnią podłoża pokrytą osadem a sumaryczną powierzchnią „stref dyfuzyjnych” może prowadzić do błędnych wyników.

Submitted dissertation focuses on electrochemical deposition of nickel. It describes development of a novel method of preparation of aqueous electrolyte baths which can be used for deposition of nickel layers acting as targets for medical accelerators. The baths are prepared by dissolution of a nickel metal powder and the plating process is continued until the whole of the metal dissolved in the bath is deposited. The dissertation reports an analysis of three main stages of the target preparation procedure. The procedure of the nickel powder dissolution has been simplified by application of a HNO3-free solvent. The solvent contains H2SO4 and H2O2 with a proper concentration ratio. The dissolution process is fast and it leads to formation of a solution which can be used for preparation of the bath. Such procedure does not require additional steps like evaporation, crystallization, dissolution which are usually applied when concentrated HNO3 is used as a solvent. A method of the bath preparation, which uses the solution containing dissolved nickel, has been described. pH of weakly acidic baths is set by adding a respective amount of acetates while acidity of weakly alkaline baths is set by adding an aqueous ammonia solution. Due to formation of an insoluble precipitate containing nickel the latter procedure cannot be applied for regulation of acidity of the weakly acidic baths. Ni2+ acetate complexes are the most important forms of nickel cations present in the baths with pH>3,8. An analysis of influence of plating current density and the bath pH allows determining optimal plating parameters. Nickel layers deposited under such conditions are metallic with relatively smooth and crack-free surfaces. They are mechanically stable and exhibit good adhesion to the substrate. The best quality of the deposits is obtained for plating from the baths with pH of ca. 4,3-4,8 at 60-140 mA/cm2 . Under such conditions the deposition of ca. 95 % of 50 mg nickel dissolved in a bath with a volume of 2,0-2,1 ml requires no more than ca. 7,2h. The dissertation also presents a mathematical analysis of a metal deposition parallel to hydrogen evolution at the substrate surface. It follows that an approach based on an assumption of proportionality of deposit-free substrate surface area and the total area of the diffusion zones may lead to incorrect results.