Kontrollierte Elektroabscheidung von Ni-Nanokegeln: Vereinigung lokaler Unordnung mit globaler Ordnung

Zusammenfassung

Dichte und geordnete Ni-Nanokegel mit regelmäßigen spiralförmigen Texturen wurden erfolgreich durch einen einfachen und kostengünstigen Elektroabscheidungsprozess in einer Lösung aus Natriumchlorid (NaCl), Nickelchloridhexahydrat (NiCl₂·6H₂O) und Borsäure (H₃BO₃) synthetisiert. Nach der Analyse der Mikrostruktur wurde ein optimierter Wachstumsmechanismus vorgeschlagen, der den Prozess in lokale und globale Aspekte unterteilt – den mehrdimensionalen Mechanismus globaler Ordnung und lokaler Unordnung. In einem hinreichend kleinen Bereich führen subtile Zustandsänderungen zur Unordnung der Ni-Atom-Anordnung, sodass die lokale Mikrostruktur ungeordnet erscheint. Aus makroskopischer Sicht sind die Unterschiede zwischen zwei benachbarten Unordnungen, die durch verschiedene Zustände verursacht werden, jedoch zu gering, um sich deutlich im makroskopischen Erscheinungsbild widerzuspiegeln. Nur wenn der Zustandsunterschied groß genug ist, wird die Veränderung makroskopisch sichtbar – die globale Struktur bleibt geordnet. Gleichzeitig zeigte sich, dass die Mikrostruktur der Ni-Nanokegel durch Anpassung der Experimentparameter wie der Konzentration von NaCl, NiCl₂·6H₂O und H₃BO₃ in der Elektroabscheidelösung gesteuert werden kann, was die Bildung von Zwischenprodukten und den pH-Wert beeinflusst und damit maßgeblich die Mikrostruktur bestimmt.

Einleitung

Nanostrukturierte Metalle mit einzigartigen Oberflächen finden breite Anwendung in Bereichen wie Oberflächenmodifikation, ultra-hydrophoben Schichten, Superkondensatoren, mikroelektronischen Verbindungen, Nanotastspitzen, Solarzellen, Gassensoren, Katalysatoren, mechanischen Poliersuspensionen, Diamantschleifscheiben und nanometergenauen Präzisionsoberflächen. Daher wurden zahlreiche Herstellungsverfahren für nanostrukturierte Metalloberflächen vorgeschlagen, darunter hydrothermale Methoden, Sol-Gel-Verfahren, Templat-Verfahren, chemische Gasphasenabscheidung, chemische Reduktion und Mikroemulsionsmethoden. Diese traditionellen Methoden erfordern jedoch hohen Kosten- und Zeitaufwand.

Um diese Nachteile zu überwinden, hat die Elektroabscheidungstechnologie großes Forschungsinteresse geweckt und sich rasant entwickelt. Sie ermöglicht die Zielerreichung sogar unter milderen Bedingungen, da das elektrische Feld die Reaktionsrate erhöht. Die Herstellung elektrodeponierter nanostrukturierter Metalloberflächen erfordert keine komplexen Zusatzgeräte, was Kosten und Zeit deutlich reduziert. Entsprechend umfangreich ist die Forschung zu Herstellungsverfahren und Bildungsmechanismen nanostrukturierter Metalloberflächen mittels Elektroabscheidung.

Bei der elektrodeponierten Herstellung nanostrukturierter Metalloberflächen ist die Kristallmodifikator-Methode am repräsentativsten. Die Zugabe von Kristallmodifikatoren beeinflusst die Wachstumsrichtung der Kristalle, sodass bei Reaktion mit einer Elektroabscheidelösung, die einen spezifischen Kristallmodifikator enthält, die metallische Nanostruktur in eine bestimmte Richtung wächst. Damit lassen sich spezifische, dicht gepackte und regelmäßige 3D-Nanostrukturen auf dem Metallsubstrat erzeugen.

Wird einer Ni-Elektroabscheidelösung eine bestimmte Menge Ammoniumchlorid (NH₄Cl) – der am häufigsten verwendete Kristallmodifikator – zugesetzt, bildet NH₄⁺ Komplexionen mit Ni²⁺ und bewirkt, dass das elektrodeponierte Ni-Kristall entlang der (111)-Kristallfläche wächst. Durch Zugabe von NH₄Cl lassen sich Ni-Nanokegel, die in einer spezifischen Richtung auf der Substratoberfläche wachsen, leicht elektrodeponieren und das Phänomen anhand des Schraubenversetzungs-Wachstumsmechanismus genauer erklären. Nickel als gutes ferromagnetisches, leitfähiges Metall bietet Vorteile wie niedrigen Preis, breite Verwendbarkeit und hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Ni-Nanokegel, die durch Elektroabscheidung mit NH₄Cl-haltiger Lösung gewonnen werden, finden wichtige Anwendungen in Gassensoren, ultra-hydrophoben Oberflächen und Katalysatoren.

In dieser Arbeit wurde NH₄Cl durch NaCl als Kristallmodifikator ersetzt und Ni-Nanokegel erfolgreich hergestellt. Im Vergleich zu NH₄Cl ist NaCl ungiftig, mild und stabil. Zudem wurde die mögliche spezifische Komplexstruktur und ihre Rolle im Elektroabscheideprozess durch Kombination der Hybridorbitaltheorie, Molekülorbitaltheorie und tatsächlicher Charakterisierungsergebnisse vorgestellt. Der Wachstumsmechanismus der in NaCl-haltiger Lösung elektrodeponierten Ni-Nanokegel – der sich deutlich vom üblichen Schraubenversetzungs-getriebenen Kristallwachstumsmechanismus unterscheidet – wurde erläutert, und die Einflüsse der Elektroabscheidezeit sowie der Konzentrationen von NaCl, NiCl₂ und H₃BO₃ auf die Nanostruktur der Ni-Nanokegel wurden analysiert. Durch die Analyse der die Nanostruktur beeinflussenden Faktoren wurde die kontrollierte Herstellung vorläufig realisiert, was für die zukünftige Herstellung anderer speziell geformter Ni-Nanokegel wegweisend sein dürfte.

Materialien und Methoden

Materialien

Alle chemischen Reagenzien waren analytisch rein und konnten direkt für chemische Reaktionen verwendet werden. Die in unserem Experiment verwendeten Ni-Tabletten (Kathode und Anode) hatten die Maße 70 mm Länge, 25 mm Breite und 0,08 mm Dicke. Natriumchlorid (NaCl), Nickelchloridhexahydrat (NiCl₂·6H₂O), Borsäure (H₃BO₃), Salzsäure (HCl) und wasserfreies Ethanol (CH₃CH₂OH) wurden von ChengDu Chron Chemicals Co., Ltd., China, bezogen.

Oberflächenbehandlung und Probenvorbereitung

Im Standardprozess wurden zwei Ni-Tabletten (Kathode und Anode) jeweils ultraschallgereinigt in deionisiertem Wasser und Ethanol. Die Kathoden-Ni-Tablette wurde in HCl (25 Gew.-%, 60 °C) für 30 min aufgeraut. Anschließend wurden Ni-Nanokegel auf den vorbehandelten Ni-Tabletten (Kathode) aus einer wässrigen Lösung mit NiCl₂·6H₂O (200 g/L), NaCl (100 g/L) und H₃BO₃ (50 g/L) elektrodeponiert. Temperatur (60 °C), Stromdichte (0,1 A) und Elektroabscheidezeit (20 min) wurden geregelt, und eine weitere Ni-Tablette diente als Anode zur Bereitstellung von Ni-Ionen (Ni²⁺). Nach der Elektroabscheidung wurde die Kathode ultraschallgereinigt in deionisiertem Wasser, dann in Ethanol und schließlich 30 min im Ofen getrocknet. Zum Vergleich wurde die Elektroabscheidezeit von 5 bis 50 min variiert, und die Konzentrationen von NaCl, NiCl₂·6H₂O und H₃BO₃ wurden jeweils von 0 bis 167 g/L, 0 bis 400 g/L und 0 bis 50 g/L geändert (Tabelle 1).

Charakterisierung

Rasterelektronenmikroskopie (SEM)-Bilder und zugehörige energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDS) wurden mit einem FEI Inspect F50 (Thermo Fisher, USA) bei 20 kV aufgenommen. Röntgenbeugungsmuster (XRD) wurden mit einem D8 Advance (Bruker, Deutschland) mit Cu-Kα-Strahlung (λ = 1,5406 Å) gemessen. Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR) wurde mit einem Nicolet iS 10 (Thermo Fisher, USA) mit ATR-Modul durchgeführt.

Ergebnisse und Diskussion

Bestimmung der Zwischenprodukte

Üblicherweise bildet NH₄⁺ bei Verwendung von NH₄Cl als Kristallmodifikator während der Elektroabscheidung Komplexionen mit Ni²⁺. Wird NaCl als Kristallmodifikator eingesetzt, können sich in der Lösung ebenfalls Komplexionen bilden, die die Elektroabscheidung fördern. Abbildung 1 zeigt die XRD-Muster der Elektroabscheidelösung, die mit einer Spirituslampe (Abb. 1a) bzw. im Ofen (60 °C) (Abb. 1b) erhitzt und getrocknet wurde, sowie das FTIR-Muster der Lösung nach der Elektroabscheidung (Abb. 1c). In Abb. 1a sind fünf deutlich erkennbare Peaks zu sehen, die NaCl (111), (200), (220), (222) und (400) entsprechen – verglichen mit der XRD-Standard-PDF-Karte. Dies deutet darauf hin, dass die chemischen Bindungen des Zielprodukts nach der Hochtemperaturbehandlung (Spirituslampe) gebrochen wurden, d. h. das Zielprodukt weist eine schlechte Hochtemperaturbeständigkeit auf. Nach Erhitzen und Trocknen bei niedrigerer Temperatur (60 °C, Ofen) ergab sich das in Abb. 1b gezeigte XRD-Muster. Leider ließen sich diese Peaks keiner der XRD-Standard-PDF-Karten für alle möglichen Verbindungen zuordnen. Dies legt nahe, dass das resultierende Zielprodukt keine gewöhnliche Verbindung ist, sondern möglicherweise ein seltener, spezieller Komplex. Abb. 1c zeigt das FTIR-Muster der Elektroabscheidelösung nach der Abscheidung, wobei ein Peak bei ca. 1500 cm⁻¹ gefunden wurde, der mit dem charakteristischen Peak (1499 cm⁻¹) ionischer Flüssigkeiten mit Ni-Halogenid-Anionen übereinstimmt. In Kombination mit XRD- und FTIR-Ergebnissen wird angenommen, dass während der Elektroabscheidung einige Komplexionen ([Ni_xCl_y]^z−) gebildet werden, die nach der Reaktion noch vorhanden sind und eine schlechte Hochtemperaturbeständigkeit aufweisen.

Trifft Cl⁻ in der Lösung auf Ni²⁺, hybridisiert Ni²⁺ gemäß der Hybridorbitaltheorie und bildet [Ni(H₂O)₂]Cl₄. Laut Fernandes et al. werden Wassermoleküle bei Temperaturen über 30 °C durch Cl⁻ ersetzt. Gemäß der Molekülorbitaltheorie besetzen die freien Elektronenpaare von Cl⁻ nicht einzelne Orbitale, sondern verteilen sich gleichmäßig auf alle vier Orbitale, wodurch der Übergang von einem oktaedrischen zu einem tetraedrischen Komplex erfolgt. Jedes freie Elektronenpaar ist somit sowohl in der Anzahl als auch in der Energie der besetzten Orbitale konsistent, und theoretisch weist das resultierende [NiCl₄]²⁻ eine regelmäßige tetraedrische Struktur im Raum auf.

Einfluss der Elektroabscheidezeit und des Kristallmodifikators

Abbildung 2 zeigt SEM-Aufnahmen bei niedriger (Abb. 2 a₁–c₁) und hoher Vergrößerung (Abb. 2a₂–c₂) von Ni₃₅₅/Ni₃₇₀/Ni₄₀₀-Nanokegeln bei unterschiedlichen Elektroabscheidezeiten (5 min, 20 min, 50 min) sowie XRD- und EDS-Muster (Abb. 2 b₃, b₄) typischer Ni₃₇₀-Nanokegel (Abb. 2b₁). Aus den SEM-Bildern geht hervor, dass die Kathodenoberfläche nach kurzer Elektroabscheidezeit (5 min) von kleinen, dichten plattenartigen Strukturen bedeckt ist, und sich mit zunehmender Zeit (20 min) allmählich Nanokegelstrukturen bilden. Bei längerer Abscheidezeit (50 min) werden die Kanten schärfer und die Texturen ausgeprägter. Das XRD-Muster zeigt drei verschiedene Beugungspeaks, die alle mit reinem Ni in flächenzentriert kubischer (fcc) Struktur übereinstimmen; keine Verunreinigungspeaks wie NiO oder Ni(OH)₂ sind nachweisbar. Offenbar wächst Ni hauptsächlich entlang der (220)-Kristallfläche. Das EDS-Muster typischer Ni₃₇₀-Nanokegel bestätigt ausschließlich Au und Ni, was auf reine Ni₃₇₀-Nanokegel ohne Verunreinigungen hinweist (Ni ist magnetisch; zur Abschwächung der Magnetisierung und zum Schutz der Sonde wurde es bei der SEM-Charakterisierung mit Gold bedampft).

Abbildung 3 zeigt den spezifischen Wachstumsmechanismus der Ni₃₇₀-Nanokegel, bezeichnet als mehrdimensionaler Mechanismus globaler Ordnung und lokaler Unordnung. Zunächst bewegen sich [NiCl₄]²⁻ in der Lösung unter dem Einfluss des elektrischen Feldes zur Kathode. Das negativ geladene Cl⁻ in [NiCl₄]²⁻ übt eine abstoßende Kraft auf die Elektronen der Kathode aus, während das positiv geladene Ni²⁺ nach Eintritt in die Diffusionsschicht zur Kathode gezogen wird. Beide Kräfte nehmen nach Eintritt in die Helmholtz-Doppelschicht deutlich zu, die koordinativ-kovalenten Bindungen (Ni–Cl) von [NiCl₄]²⁻ brechen, und die freigesetzten Cl⁻ (Cl aus den gebrochenen Ni–Cl-Bindungen) bewegen sich von der Kathode weg, während die freigesetzten Ni²⁺ (Ni aus den gebrochenen Ni–Cl-Bindungen) zur Kathode hin wandern. Die freigesetzten Ni₂₊ bewegen sich parallel über die Kathode und lagern sich an den leichtesten Stellen an – typischerweise an Defekten und Stufen – für das elektrodeponierte Ni-Wachstum. Defekte (üblicherweise Kavitäten- und Wölbungsdefekte) treten unvermeidlich während des 2D-Wachstums von Ni auf der Kathode auf und transformieren das Wachstum von 2D in 3D (hier werden die Auswirkungen von Defekten auf das ebene Wachstum nicht betrachtet, sondern auf das Wachstum in z-Richtung). Idealerweise wären die Chancen für das Wachstum einer neuen Schicht in jede Richtung durch einen einzelnen Defekt gleich, d. h. die neue Schicht sollte kreisförmig nach außen wachsen (hier werden die Auswirkungen auf das Wachstum in z-Richtung nicht betrachtet, sondern auf das ebene Wachstum). Tatsächlich zeigen Abb. 2 b₂ und c₂ jedoch Pyramiden statt Kreiskegel, da das Wachstum einer neuen Schicht weiterhin von einer großen Anzahl an Defekten an den Wachstumsfronten begleitet wird; jeder Defekt lässt seinen Zustand leicht von den umliegenden Wachstumsfronten abweichen (in einem sehr kleinen Bereich); der resultierende Ni-Nanokegel ist streng genommen eine N-seitige Pyramidenpyramide, was als lokale Unordnung bezeichnet wird. Obwohl zwischen zwei benachbarten Defekten unterschiedliche Zustände (Wachstumsrate, Wachstumsrichtung etc.) bestehen, sind diese im Vergleich zu zwei weit auseinanderliegenden Defekt-Aggregationspunkten vernachlässigbar. Auf makroskopischer Ebene werden nur zwei Defekt-Aggregationspunkte mit hinreichend großen Zustandsunterschieden, die Beachtung verdienen, und isolierte Defekte innerhalb bestimmter Zustandsbereiche „zusammengefügt“; die beobachteten Ni-Nanokegel zeigen eine Pyramidenform (dreieckig, viereckig, fünfeckig, sechseckig etc.), was als globale Ordnung bezeichnet wird (Abb. S1).

Einfluss der Komponenten

Um den spezifischen Einfluss der Lösungsbestandteile weiter zu untersuchen, wurde die Kontrollvariablen-Methode angewandt, um die durch Elektroabscheidung bei unterschiedlichen Konzentrationen von NaCl, NiCl₂ und H₃BO₃ erhaltenen Oberflächen-Nanostrukturen vorläufig zu analysieren und entsprechende Schlussfolgerungen zu ziehen.

Einfluss von NaCl

Abbildung 4 zeigt SEM-Aufnahmen bei niedriger und hoher Vergrößerung der Kathode, die bei unterschiedlichen NaCl-Konzentrationen elektrodeponiert wurde: 0 g/L (Abb. 4 a₁ und a₂), 100 g/L (Abb. 4 b₁ und b₂) und 167 g/L (Abb. 4c₁ und c₂). Wurde kein NaCl zugesetzt, war die Kathodenoberfläche von blockförmigen Ni₂₇₀-Nanostrukturen bedeckt (Abb. 4 a₁), und obwohl einige Blöcke an der Spitze eine spitzkegelartige Tendenz aufwiesen (Abb. 4a₂), handelte es sich lediglich um unausgebildete Ni₂₇₀-Nanokegel. Der Grund für die Vielzahl unausgebildeter Ni-Nanokegel auf der Kathodenoberfläche liegt darin, dass nur das NiCl₂ in der Lösung Cl⁻ lieferte, was zu einem zu geringen Cl⁻-Angebot führte, um eine große Menge an [NiCl₄]²⁻ zu bilden, was die Bildung von Ni₂₇₀-Nanokegeln stark hemmte. Bei Erhöhung der NaCl-Konzentration (100 g/L) waren zwar noch einige unausgebildete Ni₃₇₀-Nanokegel vorhanden (Abb. 4 b₁), aber an manchen Stellen ein deutlicherer Trend zu Ni-Nanokegeln (Abb. 4b₂). Die Zugabe von NaCl milderte den Cl⁻-Mangel erheblich und förderte die Bildung von [NiCl₄]²⁻, doch das Verhältnis n(Ni²⁺):n(Cl⁻) von 1:4 wurde noch nicht erreicht, sodass die Kathodenoberfläche von vielen unausgebildeten Ni₃₇₀-Nanokegeln bedeckt war. Bei weiterer Erhöhung auf 167 g/L NaCl war der Großteil der Kathodenoberfläche von Ni₄₃₇-Nanokegeln bedeckt, sodass kaum unausgebildete Ni₄₃₇-Nanokegel nachweisbar waren (Abb. 4 c₁, c₂). Die große Menge an Cl⁻ ermöglichte die Bildung einer enormen Anzahl an [NiCl₄]²⁻, was die Entstehung elektrodeponierter Ni₄₃₇-Nanokegel stark förderte.

Einfluss von NiCl₂

Abbildung 5 zeigt SEM-Aufnahmen bei niedriger und hoher Vergrößerung der Kathode bei unterschiedlichen NiCl₂-Konzentrationen: 0 g/L (Abb. 5 a₁ und a₂), 200 g/L (Abb. 5 b₁ und b₂), 400 g/L (Abb. 5 c₁ und c₂). Aus Abb. 5 a₁ geht hervor, dass die Kathodenoberfläche von einer wattebauschartigen Struktur bedeckt war, und die gesamte Oberflächenstruktur neigte zu dichter gestapelten Ni-Kugeln, jedoch ohne Kegelstruktur (Abb. 5a₂). Der Grund für die langsame und gleichmäßigere Abscheidung von Ni²⁺ auf der Kathode mit Bildung einer wattebauschartigen Struktur lag darin, dass vor der Elektroabscheidung kein Ni²⁺ in der Lösung vorhanden war; das für die Abscheidung benötigte Ni²⁺ stammte ausschließlich von den Ni-Atomen, die an der Anode Elektronen abgaben, was zu einer geringen Ni²⁺-Konzentration in der Lösung führte. Selbst bei großer Menge an Cl⁻ war die Bildung von [NiCl₄]²⁻ selten, was die Ausbildung der Ni-Nanokegelstruktur stark hemmte. Nach Erhöhung der NiCl₂-Konzentration auf 200 g/L war die elektrodeponierte Kathodenoberfläche von einigen Ni₃₇₀-Nanokegeln und anderen unausgebildeten bedeckt (Abb. 5 b₁), die gesamte Oberfläche war rau und fragmentiert (Abb. 5b₂). Das zugesetzte NiCl₂ steigerte die Bildung von [NiCl₄]²⁻ stark und förderte die Entstehung von Ni₃₇₀-Nanokegeln, doch ein Teil unausgebildeter Ni₃₇₀-Nanokegel deutete darauf hin, dass die Konzentration möglicherweise noch nicht das Optimum erreicht hatte. Bei 400 g/L NiCl₂ war die Kathodenoberfläche von einer großen Anzahl riesiger Ni₅₇₀-Nanokegeln bedeckt (Abb. 5 c₁), von denen einige undeutlich erkennbare Kanten, aber mehr kegelförmige Gestalten aufwiesen, und deren Kegeloberfläche voller Textur war, mit scharfen Winkeln und Spitzen, die zum Kegelspitz zeigten (Abb. 5 c₂, rote Linien). Theoretisch war die durch NiCl₂ (400 g/L) bereitgestellte Ni²⁺-Konzentration weit höher als erwünscht, was stattdessen den Cl⁻-Mangel hervorhob; infolgedessen scheideten sich große Mengen Ni²⁺ in kurzer Zeit auf der Kathode ab, wodurch Ni₅₇₀-Nanokegel zu schnell wuchsen, um die lokale Unordnung zu zeigen, aber die Kegelstruktur ausbildeten.

Einfluss von H₃BO₃

In der Versuchsreihe fungierte H₃BO₃ als pH-Regulator. Da Bor (B) ein elektronenarmes Atom ist, kann es sich mit Hydroxidionen (OH⁻) aus Wassermolekülen verbinden und dadurch Wasserstoffionen (H⁺) freisetzen (Gleichung 1).

$$ \mathrm{B}{\left(\mathrm{OH}\right)}_3+{\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\to \mathrm{B}{\left(\mathrm{OH}\right)}_4^{-}+{\mathrm{H}}^{+} $$ (Gleichung 1)

Abbildung 6 zeigt SEM-Aufnahmen bei niedriger und hoher Vergrößerung der Kathode, die aus Lösungen mit unterschiedlichen H₃BO₃-Konzentrationen elektrodeponiert wurde: 0 g/L (Abb. 6 a₁ und a₂), 25 g/L (Abb. 6 b₁ und b₂), 50 g/L (Abb. 6c₁ und c₂). In Abb. 6a₁ ist deutlich zu sehen, dass die Kathode von einer relativ flachen Elektroabscheidungsschicht bedeckt war, und einige Bereiche wiesen leichte Erhebungen auf (Abb. 6 a₂), insgesamt jedoch keine Ni₃₂₀-Nanokegelstruktur. Ohne H₃BO₃ fand in Kathodennähe nur die Elektrolyse von Wasser statt, sodass die Lösung generell in einem Säure-Basen-Gleichgewichtszustand war und Ni²⁺ fast unbeeinflusst von OH⁻ oder H⁺ blieb, was zu einer flachen Abscheidungsschicht führte. Bei Zugabe von 25 g/L H₃BO₃ ließen sich aus Abb. 6 b₁ offensichtliche riesige Ni₃₄₅-Nanokegelstrukturen beobachten, während der Texturtrend komplex, Kanten und Ecken klar waren (Abb. 6b₂). Dies war auf die Zugabe von H₃BO₃ zurückzuführen, die mehr H⁺ in Kathodennähe bereitstellte und ein schwach saures Milieu erzeugte. Bei einer H₃BO₃-Konzentration von 50 g/L verringerte sich die Größe der Ni₃₇₀-Nanokegel im Vergleich zu Ni₃₄₅-Nanokegeln, aber die Oberflächentextur war glatter. Dies lag an der großen Menge an H₃BO₃, die die Lösung schwach sauer machte (etwas saurer als zuvor); das überschüssige H⁺ beeinflusste die Größe der Ni₃₇₀-Nanokegel, machte die Oberfläche jedoch regelmäßiger.

Insgesamt war die Größe der Ni-Nanokegel nicht proportional zur Menge an H₃BO₃ in der Lösung. Dies könnte daran liegen, dass ohne H₃BO₃ die negativ geladenen OH⁻ die positiv geladenen Ni²⁺ störten und deren Bewegung beeinflussten. Andererseits, wenn viel H₃BO₃ in der Lösung vorhanden war, hefteten sich viele H⁺ an die Kathodenoberfläche und erzeugten Wasserstoff (H₂), doch aufgrund der geringen Größe von H⁺ war der Einfluss auf die Nanostruktur der Ni-Nanokegel sehr begrenzt.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend wurden Ni-Nanokegel erfolgreich durch Elektroabscheidung in einer Lösung mit NiCl₂, NaCl und H₃BO₃ synthetisiert. Die Ergebnisse zeigen, dass das Zwischenprodukt ein spezieller Komplex ist, der nach der Reaktion noch vorhanden ist und eine schlechte Hochtemperaturbeständigkeit aufweist, und dass die Ni-Nanokegel aus reinem Ni mit fcc-Struktur bestehen, das hauptsächlich entlang der (220)-Kristallfläche wächst. Zudem wurde die spezifische Struktur des Zwischenprodukts durch bekannte, etablierte Theoriesysteme gestützt, die Nanostruktur und der Elektroabscheideprozess der Produkte wurden untersucht, und der wahrscheinliche Bildungsmechanismus der Ni-Nanokegel wurde basierend auf den experimentellen Ergebnissen diskutiert. Gleichzeitig zeigte sich, dass die Nanostruktur der Ni-Nanokegel durch Anpassung der experimentellen Bedingungen wie der Konzentrationen von NiCl₂, NaCl und H₃BO₃ gesteuert werden kann. Daher ist die Festlegung geeigneter Parameter der Schlüssel für die Synthese von Ni-Kristallen mit Nanokegelstruktur über diesen Elektroabscheideansatz. Darüber hinaus wird erwartet, dass diese neuartige Strategie möglicherweise auf andere magnetische Metalle erweitert werden kann, um kontrollierbare Nanokegelstrukturen zu synthetisieren.