超声波辅助锌电积的优化机制及多尺度性能调控研究

这篇研究通过系统考察超声波功率(0-30 W)和作用时间(0-60 min)对锌电积过程的影响，结合电化学测试(CV/LSV/Tafel)和多尺度表征(SEM/XRD/3D轮廓仪)，揭示了超声场通过空化效应抑制浓差极化和析氢反应(HER)，在最佳参数(10 W,20 min)下使电流效率提升6.3%(达97.6%)，晶粒尺寸细化30%(46.5→32.4 nm)，表面粗糙度降低37%(5.7→3.6 μm)，为锌冶金工业的节能降耗和高质量产品开发提供了量化依据。

　　

研究亮点

• 首次系统量化超声功率与作用时间对锌电积的多维影响

• 10 W/20 min组合参数实现电流效率峰值97.6%

• 超声场使(002)晶面择优取向度提升37%

超声对电流效率的影响机制

如图3a所示（超声条件：40 kHz，60分钟，0-30 W），适度超声功率可显著提升电流效率。当超声功率为10 W时，电流效率最高达95.2%，较空白组提升5.8个百分点。这种提升主要归因于：1）超声空化效应破坏阴极扩散层，缓解Zn²⁺的浓差极化；2）微射流加速气泡脱离，抑制析氢副反应(HER)。但功率超过20 W后，过强的机械振动反而导致已沉积锌层剥落，电流效率降至78.6%。

表面形貌调控规律

通过3D光学轮廓仪检测发现（图4b），10 W超声处理20分钟使表面粗糙度(Ra)从5.7 μm降至3.6 μm，降幅达37%。SEM显示超声场促使锌晶粒由枝晶状转为致密六方结构，XRD证实(002)晶面衍射峰强度提升2.3倍，这种择优取向有利于提升镀层耐蚀性。

结论

本研究通过多尺度分析揭示：

1）适度超声参数（10 W，20分钟）通过空化效应抑制HER，使电流效率突破97.5%；

2）超声场使晶粒尺寸从46.5 nm细化至32.4 nm，实现"纳米晶-微米形貌"协同调控；

3）过量超声（30 W）会导致"过空化"效应，反而加剧表面缺陷。

作者贡献声明

盛晓伟：实验设计/论文撰写；林果：基金支持/方法学指导；张琨等：数据验证/理论分析。