Com la solució de clorur d'or concentrat en calent (AuCl₃) a 60-80 graus canvia el gruix de la paret de la funda de quars crític per als escalfadors de síntesi de nanopartícules i d'or?

El problema de la deposició de metalls nobles a partir de solucions de clorur-d'or calent

El clorur d'or (AuCl₃) i el seu homòleg hidratat àcid cloroàuric (HAuCl₄) són els precursors convencionals utilitzats per a la galvanoplastia d'or, la deposició d'or sense electrols i la producció de nanopartícules d'or. Concentracions industrials típiques 5-20 g/L com a metall daurat. Temperatura de funcionament 60-80 graus per a banys de xapat i reactors de síntesi. Les solucions són molt àcides (pH 1-2) a causa de la hidròlisi de l'HCl: HAuCl4 + H2O → AuCl3(OH)− + H3O+. La sílice fosa mostra una forta resistència química i no contamina el bany de metalls preciosos i, per tant, s'utilitza sovint en solucions d'or. D'altra banda, el clorur d'or ofereix un doble obstacle, és a dir, l'erosió àcida moderada per l'HCl lliure i, més important, la reducció de calor dels ions d'or a or metàl·lic a la superfície del quars. L'or és un metall noble i té un alt potencial de reducció (Au3+/Au, grau E =1.50 V), la qual cosa significa que es redueix ràpidament per impureses orgàniques, agents reductors o fins i tot per aigua a temperatures elevades. L'or metàl·lic dipositat és una fina capa reflectora, aïllant tèrmicament, que pot absorbir la radiació i, per tant, produir punts calents. L'or és inert a diferència de la plata i no es dissol fàcilment en àcids de neteja convencionals (l'aigua regia és l'únic àcid que dissol l'or). Això fa que sigui difícil eliminar els dipòsits d'or. En aquest treball, la taxa de deposició d'or sobre la sílice fosa i la corrosió àcida subjacent es quantifiquen en funció de la concentració d'or, la temperatura (60-80 graus) i la puresa de la solució. Es deriva el gruix necessari de la paret de la funda de quars per a intervals de servei pràctics (1.000-5.000 h) en els escalfadors de síntesi de nanopartícules i xapats d'or.

CORROSION UND ABSCHEIDUNGSGeschwindigkeiten IN HEISSEN GOLDCHLORID-Lösungen

The attack of quartz in solutions of gold chloride is composed of two components. (0.1-0.5 M from hydrolysis) gradual acid corrosion occurs: SiO₂ + 4HF → SiF₄ + 2H₂O (although here it is HCl, not HF). HCl does not react directly with quartz to give volatile compounds, but slowly hydrolyses siloxane linkages. The corrosion rate at 70°C in 0.3 M HCl (pH ~0.5) is ~0.0003–0.0006 mm/hr. This is low, and seldom restricting. Second and more crucial, the reduction of the gold ions to metallic gold occurs on the quartz surface. Hot areas, organic contaminants (from tank linings, photoresists or handling) and light exposure catalyze decrease. The reduction reaction: Au³⁺ + 3e⁻ = Au⁰. Electrons are provided by reducing chemicals or by oxidation of water (2H2O ->O2 + 4H+ + 4e-) que és termodinàmicament beneficiós a temperatures elevades.

Les proves d'immersió de quars fos en una solució d'or de 10 g/L (com a HAuCl₄) a 70 graus durant 1.000 hores no demostren una corrosió àcida notable. Tanmateix, en presència de qualsevol agent reductor, la deposició d'or es detecta en diverses hores. La deposició d'or és molt lenta (< 0.001 mm equivalent thickness/week) in a clean, well-maintained bath with no organic contamination. In baths with conventional organic brighteners (used in plating) deposition rates of 0.005–0.020 mm equivalent thickness per week are not uncommon. The gold film is adherent and very reflective. As the layer thickens, it functions as a thermal barrier, increasing the temperature of the quartz surface. This elevated temperature speeds up both gold deposition and any underlying acid corrosion.

La zona del menisc està molt subjecta a la deposició d'or a causa de la concentració d'evaporació. De vegades es forma un anell d'or a la línia líquida que és difícil d'eliminar.

Influència del gruix de la paret en la vida útil dels escalfadors de clorur d'or

L'or es pot dipositar amb parets de quars més gruixudes. Una paret d'1,5 mm recollirà or al mateix ritme que una paret de 3,0 mm. La paret més gruixuda, però, té una massa tèrmica més alta, que pot reduir l'augment de temperatura induït pel recobriment d'or aïllant i ofereix una major resistència a l'estrès tèrmic en cas que sorgeixin punts calents. Per als banys amb alta deposició d'or (per exemple, revestiment amb abrillantadors), es recomana una paret més gruixuda (2,5-3,0 mm). Per a banys d'alta puresa (per exemple, producció de nanopartícules amb un estricte control de la contaminació), són suficients les parets típiques d'1,5-2,0 mm.

Els dipòsits d'or són molt difícils d'eliminar. L'HF ataca el quars, no l'aigua regia. Aqua regia no és hostil al quars. L'aigua regia diluïda (3:1 HCl:HNO3) dissol l'or però ataca el quars. Correcció: Aqua regia no conté HF. És una barreja de HCl i HNO 3 . Realment no ataca el quars. Per tant, l'aigua regia diluïda és segura per a la neteja de quars. Bé. Per tant, despullant els dipòsits d'or amb un 10% d'aigua regia periòdicament. L'aigua regia, però, és perillosa i s'ha de tractar amb respecte. La majoria dels clients opten per substituir l'escalfador, en lloc de netejar-lo amb aqua regia.

Penacions tèrmiques de parets més gruixudes en solucions d'or

La conductivitat tèrmica de les solucions de clorur d'or a 70 graus C és d'aproximadament 0,55–0,60 W/(m · K)-similar a l'aigua. Per a una paret d'1,5 mm, R_cond=0.00109; per a una paret de 3,0 mm, R_cond=0.00217. Amb h=800 W/(m²·K), R_boundary=0.00125. U baixa de 427 a 292 W/(m²·K), una reducció del 32%. Les parets primes són preferides per a l'eficiència energètica.

Matriu de selecció basada en l'escenari-per al gruix de la paret de la funda de quars al servei de clorur d'or calent

Escenari d'aplicació i paràmetres de funcionament Espessor de paret recomanat Justificació del nucli amb comerç quantificat-desactivat
Galvanització d'or (10 g/L Au, abrillantador present, 65 graus, neteja mensual) 2,5 – 3,0 mm, grau estàndard, deposició d'or polida moderada. La paret més gruixuda resisteix l'estrès tèrmic dels punts calents. U ≈ 350 W/(m²·K).
Síntesi de nanopartícules (alta puresa, 70 graus, lots curts, sense orgànics) 1,5 – 2,0 mm, quars d'alta puresa -Deposició mínima. Paret fina per a una resposta ràpida. U ≈ 450 W/(m²·K).
Or no elèctric (present agent reductor, 60 graus, continu) 3,0 mm, considereu la deposició ràpida d'or PTFE. La vida del quars és curta independentment del gruix. Es recomana una funda alternativa.
Modificacions complementàries del disseny: l'aigua ultrapura i el control rigorós de la contaminació impedeixen la reducció de l'or. L'exclusió de la llum alenteix la reducció fotoquímica. La neteja periòdica amb aigua regia diluïda (10%) elimina els dipòsits però requereix precaucions de seguretat. Una superfície polida redueix l'adhesió de l'or.