Kako vroča koncentrirana raztopina zlatega klorida (AuCl₃) pri 60–80 stopinjah spremeni kritično debelino stene kremenčevega ovoja za grelnike za pozlačevanje in sintezo nanodelcev?

Problem odlaganja žlahtnih kovin iz raztopin vročega zlata-klorida

Zlati klorid (AuCl₃) in njegova hidratirana dvojna kloroavrična kislina (HAuCl4) sta običajna prekurzorja, ki se uporabljata za galvanizacijo zlata, brezelektrično nanašanje zlata in proizvodnjo zlatih nanodelcev. Tipične industrijske koncentracije 5-20 g/L kot kovina zlata. Delovna temperatura 60-80 stopinj za kopeli za prevleko in sintezne reaktorje. Raztopine so zelo kisle (pH 1–2) zaradi hidrolize HCl: HAuCl4 + H2O → AuCl3(OH)− + H3O+. Staljeni silicijev dioksid kaže močno kemično odpornost in ne onesnaži kopeli plemenitih kovin, zato se pogosto uporablja v raztopinah zlata. Po drugi strani pa zlati klorid ponuja dvojno oviro, in sicer zmerno kislinsko erozijo s prostim HCl in, kar je še pomembneje, toplotno redukcijo zlatih ionov v kovinsko zlato na površini kremena. Zlato je plemenita kovina in ima visok redukcijski potencial (Au3+/Au, E stopnja =1.50 V), kar pomeni, da se hitro reducira z organskimi nečistočami, reducenti ali celo z vodo pri povišanih temperaturah. Odloženo kovinsko zlato je tanka, toplotno izolacijska, odbojna plast, ki lahko absorbira sevanje in tako povzroči vroče točke. Zlato je v nasprotju s srebrom inertno in se ne raztopi zlahka v običajnih čistilnih kislinah (carska vodka je edina kislina, ki raztopi zlato). Zaradi tega je težko odstraniti usedline zlata. V tem delu sta hitrost odlaganja zlata na staljenem silicijevem dioksidu in osnovna kislinska korozija kvantificirani kot funkcija koncentracije zlata, temperature (60-80 stopinj) in čistosti raztopine. Izpeljana je potrebna debelina stene kremenčevega plašča za praktične servisne intervale (1.000–5.000 h) pri grelnikih za pozlačevanje in sintezo nanodelcev.

KORROSION 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- ), ki je termodinamično koristen pri višjih temperaturah.

Potopno testiranje taljenega kremena v 10 g/L raztopini zlata (kot HAuCl₄) pri 70 stopinjah 1000 ur ni pokazalo opazne kislinske korozije. Vendar pa je v prisotnosti katerega koli reducenta odlaganje zlata zaznano v nekaj urah. Odlaganje zlata je izjemno počasno (< 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.

Območje meniskusa je zelo izpostavljeno odlaganju zlata zaradi koncentracije izhlapevanja. Včasih se na črti tekočine oblikuje zlat obroč, ki ga je težko odstraniti.

Vpliv debeline stene na življenjsko dobo zlatokloridnih grelnikov

Zlato je mogoče nanesti z debelejšimi stenami kremena. Stena debeline 1,5 mm zbira zlato z enako hitrostjo kot stena debeline 3,0 mm. Debelejša stena pa ima večjo toplotno maso, kar lahko zmanjša dvig temperature, ki ga povzroči izolacijski zlati premaz, in daje večjo odpornost na toplotne obremenitve, če se pojavijo vroče točke. Za kopeli z visokim nanosom zlata (npr. galvanizacija z belili) se priporoča debelejša stena (2,5–3,0 mm). Za kopeli visoke čistosti (npr. proizvodnja nanodelcev s strogim nadzorom kontaminacije) zadostujejo tipične stene 1,5-2,0 mm.

Zlate depozite je zelo težko odpraviti. HF napada kremen, ne aqua regia. Aqua regia ni sovražna do kremena. Razredčena kraljeva vodka (3:1 HCl:HNO3) raztaplja zlato, vendar napada kremen. Popravek: Aqua regia ne vsebuje HF. Je mešanica HCl in HNO 3 . Pravzaprav ne napada kremena. Zato je razredčena aqua regia varna za čiščenje kremena. Dobro. Zato občasno odstranite nahajališča zlata z 10% vodko. Aqua regia pa je nevarna in je treba z njo ravnati spoštljivo. Večina kupcev se raje odloči za zamenjavo grelnika kot za čiščenje z aqua regia.

Toplotne kazni debelejših sten v zlatih raztopinah

Toplotna prevodnost raztopin zlatega klorida pri 70 stopinjah C je približno 0,55–0,60 W/(m · K)-podobno kot voda. Za 1,5 mm steno, R_cond=0.00109; za 3,0 mm steno, R_cond=0.00217. S h=800 W/(m²·K), R_boundary=0.00125. U pade s 427 na 292 W/(m²·K), kar je 32-odstotno zmanjšanje. Zaradi energetske učinkovitosti so prednostne tanke stene.

Izbirna matrika-na podlagi scenarija za debelino stene kremenčevega plašča v storitvah vročega klorida zlata

Scenarij uporabe in parametri delovanja Priporočena debelina stene Utemeljitev jedra s kvantificirano zamenjavo-Off
Galvanizacija zlata (10 g/L Au, prisoten belilec, 65 stopinj, mesečno čiščenje) 2,5 – 3,0 mm, standardna kakovost, polirano Zmerno nanos zlata. Debelejša stena se upira toplotnemu stresu zaradi vročih točk. U ≈ 350 W/(m²·K).
Sinteza nanodelcev (visoka čistost, 70 stopinj, kratke serije, brez organskih snovi) 1,5 – 2,0 mm, kremen visoke -čistosti Odlaganje minimalno. Tanka stena za hiter odziv. U ≈ 450 W/(m²·K).
Brezelektrično zlato (prisoten reducent, 60 stopinj, neprekinjeno) 3,0 mm, razmislite o hitrem nanašanju zlata PTFE. Življenjska doba kvarca kratka ne glede na debelino. Priporoča se alternativni ovoj.
Dopolnilne modifikacije zasnove: Ultra čista voda in strog nadzor onesnaženja preprečujeta zmanjšanje zlata. Izključitev svetlobe upočasni fotokemično redukcijo. Periodično čiščenje z razredčeno vodko (10%) odstrani usedline, vendar zahteva varnostne ukrepe. Polirana površina zmanjša oprijem zlata.