Electrodeposition of special magnetic materials from nonaqueous solutions  Page description

Help  Print 
Back »

 

Details of project

 
Identifier
104696
Type K
Principal investigator Péter, László
Title in Hungarian Különleges mágneses anyagok elektrokémiai leválasztása nemvizes oldatokból
Title in English Electrodeposition of special magnetic materials from nonaqueous solutions
Keywords in Hungarian elektrokémiai leválasztás, ötvözetek, mágnesség, nemvizes elektrolioldatok
Keywords in English electrodeposition, alloys, magnetism, nonaqueous electrolytes
Discipline
Physical Chemistry and Theoretical Chemistry (Council of Physical Sciences)70 %
Ortelius classification: Electrochemistry
Material Science and Technology (physics) (Council of Physical Sciences)30 %
Ortelius classification: Metal technology
Panel Chemistry 1
Department or equivalent Complex Fluids Department (Wigner Research Centre for Physics of the Hungarian Academy of Sciences)
Participants Bakonyi, Imre
Dégi, Júlia
Németh, Katalin
Neuróhr, Katalin
Pogány, Lajos
Révész, Ádám
Tóth, Bence
Starting date 2012-09-01
Closing date 2016-08-31
Funding (in million HUF) 27.091
FTE (full time equivalent) 9.97
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.

A fő célkitűzés olyan mágneses fémek elektrokémiai leválasztása, amelyek vizes oldatokból elektrokémiai leválasztással nem hozhatók létre, mivel leválasztási potenciáljuk a víz stabilitási tartományán lényegesen kívül esne. A jelen projektben 4 ilyen anyagcsoportot jelöltünk meg:
1. Heusler ötvözetek;
2. Mn tartalmú mágneses ötvözetek;
3. Ritkaföldfémeket tartalmazó mágneses ötvözetek;
4. Nagy magnetostrikcójú mágneses fémötvözetek.
Célunk olyan kísérleti körülmények megadása, amelyek között a fenti speciális mágneses ötvözetek létrehozhatók elektrokémiai leválasztással. A fémleválasztási kísérleteket nemvizes oldószerek felhasználásával tervezzük. A projekt magában foglalja a létrehozott anyagok mágneses és elektromos transzport vizsgálatát is,

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.

Alaphipotézisünk, hogy a víznél lényegesen nagyobb stabilitási tartománnyal rendelkező, viszonylag nagy dielektromos állandóval rendelkező aprotikus oldószerek felhasználásával olyan fémek elektrokémiai leválasztása is lehetséges, amelyek vizes közegekből nem választhatók le.

A kutatás alapkérdése az, hogy az elvileg lehetségesnek látszó és nemvizes közegek alkalmazásával már más fémekre vonatkozóan bizonyítottan kivitelezhető fémleválasztási módszer alkalmas-e a szélsőségesen negatív leválási potenciálú különleges mágneses fémek leválasztására is. Kérdés, hogy az ötvözetképződési folyamatok leírhatók-e a vizes közegben megszokott fogalomrendszerrel és ötvözet-leválasztási alaptípusokkal, és ha igen, akkor azonos fémpárokra azonos leválasztási alaptípust találunk-e más oldószer esetén is. Az anyagok létrehozásán túl választ kívánunk adni arra a kérdésre is, hogy a fémleválasztási folyamat mechanizmusa és kinetikája mennyiben tér el a vizes közegben zajló hasonló folyamatokétól. Fontos probléma továbbá, hogy a nemvizes közegből leválasztott fémek szerkezeti jellemző mennyiben felelnek meg az adott ötvözet fázisdiagamjából következő egyensúlyi szerkezeteknek.

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!

A kutatás sikere esetén számos alapkutatási kérdés merül fel, nevezetesen:
- megfelelő oldószerek felkutatása mágneses ötvözetek leválasztása céljára;
- fémleválasztási folyamatok mechanizmusának kutatása nemvizes közegekben, a folyamatok kinetikájának leírása;
- a fémleválasztási folyamat paraméterei és a leváló fém morfológiája és szerkezeti sajátságai közötti kapcsolat tisztázása.

A gyakorlati hasznosíthatósággal kapcsolatos alapkérdések:
- a leválasztási folyamatok alkalmazása nanostruktúrák létrehozásában;
- nagy telítési indukciójú mágneses anyagok leválasztása mikroelektromechanikai rendszerekben;
- nagy magnetostrikciójú anyagokból és igen kis telítési térrel rendelkező anyagokból felépülő multiréteges szerkezetek létrehozásának lehetősége érzékeny mágneses detektorok céljára.

A projektben megcélzott mágneses ötvözetek nagy jelentőséggel bírnak szenzorikai és spintronikai alkalmazások szempontjából.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média illetve az adófizetők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI számára.

A kutatásban arra a kérdésre keressük a választ, hogy víz helyett más oldószer alkalmazásával ugyanolyan törvényszerűségek érvényesek-e az elektrokémiai fémleválasztás során is, mint amikor ezen folyamatokat vizes oldatok segítségével hajtjuk végre. Vizes közegből számos fontos mágneses fém nem választható le, mivel a víz mint oldószer maga könnyebben redukálható, mint a leválasztani kívánt mágneses fém ionja. Jelen kutatásban ilyen nehezen redukálható mágneses fémeket kívánunk leválasztani szerves oldószerek felhasználásával. A szerves oldószer szerepe a folyamatban olyan nemreaktív közeg biztosítása, amelynek az átalakulása nem zavarja a fémleválasztási folyamatot. Többek között arra a kérdésre keressük a választ, hogy ilyen különleges módon leválasztott ötvözetek szerkezete mennyiben követi a hasonló összetételű, de más módszerekkel létrehozott ötvözetek szerkezetét. A vizsgálatok ki fognak terjedni a kapott anyagok mágneses sajátságainak vizsgálatára is.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.

The major goal is the electrodeposition of magnetic metals that cannot be synthesized by electrodeposition from aqueous solutions since the deposition potential of the metals is much beyond the stability regime of water. In this project, we specify four alloy families:
1. Heusler alloys;
2. Magnetic alloys with Mn content;
3. Magnetic alloys containing rare-earth metal(s);
4. Alloys with high magnetostriction.
We would like to define experimental conditions under which the above listed magnetic alloys can be successfully synthesized by electrodeposition. The synthesis will be carried out by using nonaqueous solvents. The project also includes the magnetic and electrical transport study of the resulting deposits.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.

The starting hypothesis is that metals which cannot be deposited from aqueous solution can be deposited from other solvents. The solvents to be used are aprotic organic liquids of fairly high dielectric constant and exhibit a wide stability regime as compared to water.

The key question of this research plan is whether electrodepostion, whose application with nonaqueous solvent has already been exemplified for several other metals, can also be used for the preparation of metals with extremely low standard potential. Another question is whether the alloy formation by electrodeposition can be described with the same categories as in conventional water-based systems. If so, it should also be clarified if the same pair of metal belongs to the same codeposition mode in various solvents. Beyond the materials synthesis itself, we will investigate the mechanism and the kinetics of the metal deposition process, and we will compare it with the corresponding processes taking place in aqueous solutions. It is also an important issue whether the structure of the metals deposited from nonconventional media comply with the expectations based on the equilibrium phase diagrams.

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.

In case of the successful materials synthesis, a lot of new basic questions arise. Namely:
- choice of the optimum solvent for the deposition of each metal/alloy;
- investigation of the deposition mechanism of metals in nonaqueous environment, description of the kinetics of the metal deposition processes;
- determination of the relationship between the electrodeposition conditions and the structual and morphological properties of the metals deposited.

Question related to the possible practical application are as follows:
- besides the deposition in the form of plane films, the possibility of the application of the same processes in the preparation of nanostructures;
- deposition of metals with high saturation induction and high remanence for microelectromechanical systems;
- preparation of multilayered structures made of alternating layers of high permeability and high magnetostriction, in order to use them as sensitive magnetic sensors.

The magnetic materials aimed at in this project exhibit topmost importance in sensoric and spintronic applications.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NKFI in order to inform decision-makers, media, and the taxpayers.

During our work, we would like to clarify whether the electrodeposition phenomenon is governed by the same laws when the process is carried out with either water or a nonaqueous solvent.
By using aqueous solutions, several important magnetic metals cannot be deposited since water can be reduced easier than the ions of these magnetic metals. In this work, we aim at the deposition of such magnetic metals by using organic solvents. The role of the organic solvent in the electrodeposition is to provide a nonreative media, which does not interfere with the deposition of the metals. We would like to clarify what is the relationship between the structure of the alloys produced with this special mode of electrodeposition and that of the alloys of similar composition but made with traditional preparation methods. The same comparison will be made for the magnetic properties, too.





 

Final report

 
Results in Hungarian
A kutatás során számos szerves oldószerek alkalmazhatóságát vizsgáltuk fémek elektrokémai leválasztásával kapcsolatban. A protikus szerves oldószerek közül az alkoholok, elsősorban a metanol bizonyult alkalmasnak egyes átmenetifémek (Ni, Co, valamint Ni-Fe ötvözet) leválasztására. Alkoholok esetén a fémleválasztásra való alkalmasság az oldószer polaritásával arányosan nőtt. Nikkel esetén a mágneses sajátságok megfeleltek a vizes közegből elválasztott nikkelének. Szerves karbonátokban az átmenetifémek sói (jellemzően a vízmentes formában hozzáférhető halogenidek) jól oldódtak és az oldatok ionos vezetést mutattak, de fémleválasztás az oldószer stabilitási tartományánál lényegesen negatívabb potenciálon sem volt tapasztalható. A nitrogéntartalmú oldószerek közül a dimetil-formamid, valamint az ehhez hasonló szerkezetű diemtil-szulfoxid volt alkalmas kobalt leválasztására. Acetonitrilben az átmenetifémek sóinak oldhatósága kicsi, és a fémek leválási potenciálja az oldószer stabilitási tartományán kívül esik. A legtöbb nemvizes oldószerben a voltammetriás függvények értelmezése az oldószerbomlás összetett mechanizmusa miatt nem volt értelmezhető és a fémleválasztással kapcsolatos áramok nem voltak egyértelműen azonosíthatók. Minden oldószertípusnál észleltük, hogy a kevésbé nemes fémek ötvözése során (pl. Mn, Ga) a képződő bevonat csak részben volt fémes, már a leválasztás során lezajlott a kevésbé nemes komponens oxidációja.
Results in English
The applicability of organic solvents has been studied in connection with the electrochemical deposition of metals. Among protic organic solvents, alcohols (especially methanol) were suitable for the deposition of some transitions metals and their alloys (Ni, Co, Ni-Fe). The applicability of the alcohols for metal deposition was proportional to the polarity of the solvent molecule. The magnetic properties of Ni deposited from alcohols corresponds to that deposited from aqueous systems. The solubility of the transition metal salts (mostly dry halogenides) in organic carbonates was good and resulted in a sufficient ionic conductivity, but no deposition could be achieved even much beyond the stability regime of the solvent. Dimethyl formamide and the structurally related dimethyl sulfoxide proved to be suitable to deposit cobalt. In acetonytrile, the solubility of the transition metal salts was too small, and their deposition potential was beyond the stability range of the solvent. In most nonaqueous solvents, the voltammetric measurements were not possible to elucidate because of the complicated mechanism of the solvent decomposition, and, therefore, the current associated with the metal deposition could not be identified. It was observed for all solvent types that the attempt to deposit least noble elements (such as Mn and Ga) the deposit formed was only partially metallic, and the deposit was prone to oxidation even in the solvent itself.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=104696
Decision
Yes





 

List of publications

 
L. Péter: A systematic approach to the impedance of surface layers with mixed conductivity forming on electrodes, Journal of Solid State Electrochemistry, 2013
Ádám Révész, Marcell Gajdics, Lajos K. Varga, György Krállics, László Péter, Tony Spassov: Hydrogen storage of nanocrystalline MgeNi alloy processed by equal-channel angular pressing and cold rolling, International Journal of Hydrogen Energy, 2014
N. Rajasekaran, L. Pogány, Á. Révész, B. G. Tóth, S. Mohan, L. Péter, I. Bakonyi: Structure and Giant Magnetoresistance of Electrodeposited Co/Cu Multilayers Prepared by Two-Pulse (G/P) and Three-Pulse (G/P/G) Plating, Journal of The Electrochemical Society, 2014
Tim Böhnert, Anna Corinna Niemann, Ann-Kathrin Michel, Svenja Baßler, Johannes Gooth, Bence G. Tóth, Katalin Neuróhr, László Péter, Imre Bakonyi, Victor Vega, Victor M. Prida, Kornelius Nielsch: Magnetothermopower and magnetoresistance of single Co-Ni/Cu multilayered nanowires, Physical Review B, 2014
B. G. Tóth, L. Péter, L. Pogány, Á. Révész, I. Bakonyi: Preparation, Structure and Giant Magnetoresistance of Electrodeposited Fe-Co/Cu Multilayers, Journal of The Electrochemical Society, 161 (4) D154-D162, 2014
N. Rajasekaran, J. Mani, B.G. Tóth, G. Molnár, S. Mohan, L. Péter, I. Bakonyi: Giant magnetoresistance and structure of electrodeposited Co/Cu multilayers: the influence of layer thicknesses and Cu deposition potential, Journal of The Electrochemical Society, 2015
K. Neuróhr, L. Pogány, B.G. Tóth, Á. Révész, I. Bakonyi, L. Péter: Electrodeposition of Ni from Various Non-Aqueous Media: The Case of Alcoholic Solutions, Journal of The Electrochemical Society, 2015
Bakonyi Imre, Tóth Bence, Péter László: Nanohuzalok előállítása, Fizikai Szemle, 2015
L. Péter: A systematic approach to the impedance of surface layers with mixed conductivity forming on electrodes, Journal of Solid State Electrochemistry 17, pp. 3075-3081, 2013
Ádám Révész, Marcell Gajdics, Lajos K. Varga, György Krállics, László Péter, Tony Spassov: Hydrogen storage of nanocrystalline MgeNi alloy processed by equal-channel angular pressing and cold rolling, International Journal of Hydrogen Energy 39 (18), pp. 9911-9917, 2014
N. Rajasekaran, L. Pogány, Á. Révész, B. G. Tóth, S. Mohan, L. Péter, I. Bakonyi: Structure and Giant Magnetoresistance of Electrodeposited Co/Cu Multilayers Prepared by Two-Pulse (G/P) and Three-Pulse (G/P/G) Plating, Journal of The Electrochemical Society 161, pp. D339-D348, 2014
Tim Böhnert, Anna Corinna Niemann, Ann-Kathrin Michel, Svenja Baßler, Johannes Gooth, Bence G. Tóth, Katalin Neuróhr, László Péter, Imre Bakonyi, Victor Vega, Victor M. Prida, Kornelius Nielsch: Magnetothermopower and magnetoresistance of single Co-Ni/Cu multilayered nanowires, Physical Review B 90 (16), Paper 165416., 2014
N. Rajasekaran, J. Mani, B.G. Tóth, G. Molnár, S. Mohan, L. Péter, I. Bakonyi: Giant magnetoresistance and structure of electrodeposited Co/Cu multilayers: the influence of layer thicknesses and Cu deposition potential, Journal of The Electrochemical Society 162 (6), pp. D204-D212, 2015
K. Neuróhr, L. Pogány, B.G. Tóth, Á. Révész, I. Bakonyi, L. Péter: Electrodeposition of Ni from Various Non-Aqueous Media: The Case of Alcoholic Solutions, Journal of The Electrochemical Society 162 (7), pp. D256-D264, 2015
Bakonyi Imre, Tóth Bence, Péter László: Nanohuzalok előállítása, Fizikai Szemle, 65. évf. 7-8. szám 223-226. old., 2015
M. Jafari Fesharaki, K. Neuróhr, L. Péter, Á. Révész, L. Pogány, G. Molnár, I. Bakonyi: Influence of Pb Additive to the Spacer Layer on the Structure and Giant Magnetoresistance of Electrodeposited Co/Cu Multilayers, Journal of The Electrochemical Society 163 (9), pp. D485-D492, 2016
Tamás Kolonits, Péter Jenei, Bence G. Tóth, Zsolt Czigáy, Jenő Gubicza, László Péter, Imre Bakonyi: Characterization of Defect Structure in Electrodeposited Nanocrystalline Ni Films, Journal of The Electrochemical Society, 163 (3) D107-D114, 2016
S. Zsurzsa, L.Péter, L.F.Kiss, I.Bakonyi: Magnetic and magnetoresistance studies of nanometric electrodeposited Co films andCo/Cu layered structures :Influence of magnetic layer thickness, Journal of Magnetism and Magnetic Materials 421, pp. 194–206, 2017
Anna Corinna Niemann, Tim Böhnert, Ann-Kathrin Michel, Svenja Bäßler, Bernd Gotsmann, Katalin Neuróhr, Bence Tóth, László Péter, Imre Bakonyi, Victor Vega, Victor M. Prida, Johannes Gooth, Kornelius Nielsch: Thermoelectric power factor enhancement by spin-polarized currents – a nanowire case study, Advanced Electronic Materials 2(9), Art.No. 1600058, 2016





 

Events of the project

 
2016-01-13 11:14:21
Résztvevők változása
2013-01-22 14:23:05
Kutatóhely váltás
A kutatás helye megváltozott. Korábbi kutatóhely: SZFI - Fémkutatási Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont), Új kutatóhely: SZFI - Komplex Folyadékok Osztály (MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont).




Back »