碳鋼電極和鎳電極的腐蝕及鈍化行為研究

田志美，代秀霞，田友華，宋崇富*

(1.阜陽師范大學(xué) 化學(xué)與材料工程學(xué)院，安徽 阜陽 236037；2．濰坊文華學(xué)校，山東 濰坊 261100；3．濰坊高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)北海學(xué)校，山東 濰坊 261031)

在金屬材料中，在周圍介質(zhì)的作用下，金屬材料遭到破壞，這種行為稱為金屬腐蝕。當(dāng)金屬開始腐蝕時(shí)，因?yàn)榻饘俳缑嫔洗嬖谥喾N化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)會有部分金屬離子產(chǎn)生。金屬的腐蝕不僅會使金屬材料的外形被破壞，還會使其塑性、韌性、強(qiáng)度等多種性能大大降低，對金屬材料的應(yīng)用造成巨大的影響。金屬腐蝕有化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩種途徑?；瘜W(xué)腐蝕一般是由于金屬表面能與周圍介質(zhì)直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起的腐蝕；電化學(xué)腐蝕是由于金屬材料與電解質(zhì)溶液接觸，發(fā)生電極反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，由金屬腐蝕而報(bào)廢的金屬制品的質(zhì)量幾乎占全世界金屬年產(chǎn)量的百分之三十，這個(gè)數(shù)值是非常龐大的，金屬的腐蝕還會造成金屬制品的破壞從而導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失。總而言之，金屬的腐蝕造成的損失不可估量。我們對其進(jìn)行研究是非常必要的。

實(shí)驗(yàn)上，金屬腐蝕方面的相關(guān)研究較為廣泛。扈顯琦等研究了交流阻抗技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用，證明交流阻抗技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用的必要性[1]；張鵬輝等研究了鐵和剛在濃堿溶液中的陽極極化曲線，發(fā)現(xiàn)鐵和鋼在三種不同的堿性溶液中均有腐蝕，腐蝕情況與溶液濃度相關(guān)[2]；許淳淳等使用電位掃描技術(shù)研究了X70管線鋼在CO32-/HCO3-溶液中的電化學(xué)行為，討論了HCO3-濃度對陽極極化的影響[3]；徐一慧等研究了304不銹鋼在硝酸環(huán)境中的腐蝕電化學(xué)行為，發(fā)現(xiàn)隨溫度的升高，304不銹鋼在硝酸中的腐蝕電流密度呈增大的趨勢[4]；席艷君等研究了Fe-Cr-Ni電鍍層在工業(yè)廢水中的腐蝕行為，發(fā)現(xiàn)鍍層對延緩電化學(xué)腐蝕性能作用較差[5]；張曉東等研究了船體鋼海水腐蝕研究進(jìn)展，總結(jié)了影響船體鋼耐腐蝕性的因素[6]；趙天雷等研究了10號碳鋼在NaOH溶液中的腐蝕電化學(xué)行為，證實(shí)碳鋼電極可以在NaOH溶液中腐蝕和鈍化[7]；谷寧研究了碳鋼在中堿性介質(zhì)中的腐蝕行為，得出碳鋼在中堿性介質(zhì)中的腐蝕速率小于酸性介質(zhì)[8]；陳順玉等研究了金屬極化行為的影響因素，得出影響金屬極化行為的因素有電解質(zhì)種類，電解質(zhì)溶液濃度，溫度[9]；線性電位掃描法測定鎳在硫酸溶液中的鈍化行為表明，鎳片在硫酸溶液中具有化學(xué)腐蝕和極化行為，并且受KCl溶液的影響比較明顯[10]。

本論文擬采用碳鋼電極和鎳電極，測定電極在不同電解質(zhì)溶液中的極化曲線，并研究了KCl加入量對極化和腐蝕的影響。同時(shí)，改變溫度和電解質(zhì)溶液濃度，進(jìn)一步探討了條件改變對電極腐蝕和極化行為的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試樣與溶液

NaOH溶液(1%、10%、20%、30%)；氨水-碳酸氫銨溶液(1∶1)；硫酸溶液(0.1、0.2、0.3、0.4 mol/L)；KCl溶液(0.02、0.04、0.06、0.08、0.1 mol/L)。實(shí)驗(yàn)所用藥品都是分析純的，實(shí)驗(yàn)中所用蒸餾水是二次水。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

電化學(xué)實(shí)驗(yàn)運(yùn)用HDY-I型恒電位儀完成，采用三電極體系，工作電極是碳鋼電極或鎳電極，參比電極是飽和甘汞電極，輔助電極是鉑電極。數(shù)據(jù)處理運(yùn)用origin 8.5軟件。

實(shí)驗(yàn)開始前，首先對工作電極進(jìn)行處理。用金屬相砂紙將電極擦到光亮，之后將電極放入含有1 mL的H2SO4溶液的100 mL的蒸餾水中浸泡1 min，取出后用蒸餾水沖洗后再用濾紙擦干備用。

分別量取30 mL的NH4HCO3飽和溶液和濃氨水，混合后倒入電解池。工作電極表面要靠近毛細(xì)管口。

接通電源，在參比模式下，負(fù)載選擇電解池，儀器接通，此時(shí)儀器顯示的電位為自然電位，應(yīng)大于0.8 V以上，表明電極處理得當(dāng)。

將負(fù)載選擇在電解池上，間隔20 mV，逐漸調(diào)大，等電流穩(wěn)定時(shí)記錄恒電位和電流值。電壓直到調(diào)到約1.2 V為止，記錄相應(yīng)的電流值。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳鋼電極在堿性溶液中極化曲線的測定

2.1.1碳鋼電極在氨水和碳酸氫銨(1∶1)混合溶液中的極化曲線

在本實(shí)驗(yàn)中所用電解質(zhì)溶液是氨水和碳酸氫銨(1∶1)混合溶液和一系列不同濃度的氫氧化鈉溶液(1%、10%、20%、30%)。通過改變溫度和電解質(zhì)溶液的濃度來測定碳鋼電極在兩種溶液中的極化曲線。我們所測得的極化曲線如圖1所示。由于氨水體系在較高的溫度下便會分解，所以本實(shí)驗(yàn)設(shè)置的最高溫度為25℃。本組實(shí)驗(yàn)有兩個(gè)變量，即溫度和加入NaOH的量。由圖1和圖2可以看出：(1) 碳鋼在氨水體系中既鈍化又腐蝕，而且這種趨勢隨著溫度的增加而增加。(2) 碳鋼在氨水體系中加入NaOH溶液，隨著NaOH溶液加入量的增多會抑制鈍化加強(qiáng)腐蝕，直至NaOH加入的量為8 mL時(shí)只鈍化不腐蝕。在第一組實(shí)驗(yàn)中我們得出了NaOH溶液的加入能夠抑制碳鋼電極在氨水體系中的腐蝕，所以在第二組實(shí)驗(yàn)中我們將電解質(zhì)溶液換為NaOH溶液，進(jìn)一步研究碳鋼電極在強(qiáng)堿性條件下的腐蝕與鈍化。

2.1.2碳鋼電極在不同濃度，不同溫度的NaOH溶液中的極化曲線

第二組實(shí)驗(yàn)采用的NaOH溶液濃度分別為1%、10%、20%、30%(質(zhì)量百分比)，使用恒溫水浴保持定溫，研究了以下幾個(gè)溫度時(shí)碳鋼電極的化學(xué)行為，25、35、45、55、65、75℃，結(jié)果如圖3和圖4所示。從圖3和圖4我們看出，在1%的NaOH溶液和10%的NaOH溶液中，25℃時(shí)極化曲線有峰值，即存在著微弱的腐蝕；而隨著溫度升高和NaOH濃度增大，極化曲線只出現(xiàn)非線性增長，而且增長的程度隨溫度和濃度增大而增大，即只存在鈍化。所以我們得出的結(jié)論如下：(1)碳鋼在恒定溫度時(shí)隨著NaOH溶液濃度的增大，腐蝕消失鈍化程度增大。(2)碳鋼在NaOH溶液濃度恒定時(shí)，隨著溫度升高，只鈍化不腐蝕。

以上兩組實(shí)驗(yàn)是關(guān)于碳鋼電極在兩種不同的堿性溶液中的腐蝕和鈍化行為的研究。我們又探究了碳鋼電極在0.1 mol/L的H2SO4溶液中的極化曲線，通過實(shí)驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)其極化曲線一直呈線性增長。

圖1 碳鋼電極在氨水體系中隨溫度變化的極化曲線Fig.1 Polarization curves of carbon steel electrode changing with temperature in ammonia water system

圖2 不同溫度碳鋼電極在氨水體系改變NaOH加入的量的極化曲線Fig.2 Polarization curves of carbon steel electrode at different temperatures changing NaOH content in ammonia water system

圖3 碳鋼電極在不同濃度的NaOH溶液中隨溫度變化的極化曲線Fig.3 Polarization curves of carbon steel electrode with temperature in NaOH solution of different concentration

圖4 不同溫度時(shí)碳鋼電極隨NaOH溶液濃度改變的極化曲線Fig.4 Polarization curves of carbon steel electrode changing with NaOH solution concentration at different temperatures

2.2 鎳電極在稀硫酸溶液中的極化曲線

在物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，我們做過鎳電極在硫酸溶液中極化曲線的測定，還進(jìn)一步探討了KCl溶液對鎳電極在硫酸溶液中的極化的影響，得出了KCl溶液能夠增大其腐蝕和極化程度的結(jié)論。本文將在原實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

在第三組實(shí)驗(yàn)中，我們采用的硫酸濃度分別為0.1、0.2、0.3、0.4 mol/L，溫度分別為25、35、45℃，結(jié)果在圖5中。通過圖5，可以得出如下結(jié)論：鎳電極在稀硫酸溶液中既鈍化又腐蝕，且硫酸濃度一定時(shí)，腐蝕和鈍化的程度隨溫度增高而增大;溫度一定時(shí)，腐蝕和鈍化的程度隨溫度增高而增大。在第四組實(shí)驗(yàn)中我們將每次實(shí)驗(yàn)的溫度固定，研究硫酸溶液的濃度增加對鎳電極極化和腐蝕行為的影響(圖6)。通過圖6，得出鎳電極在稀硫酸溶液中腐蝕和極化隨溫度和硫酸溶液的濃度的增加而增大。

在第五組實(shí)驗(yàn)中，我們將溫度恒定為25℃，電解質(zhì)溶液是3 mL濃度分別為0.02、0.04、0.06、0.08、0.1 mol/L的KCl溶液與50 mL 0.1 mol/L的H2SO4溶液的混合溶液，研究了KCl溶液的加入量對鎳電極在硫酸溶液中化學(xué)行為的影響，結(jié)果如圖7所示。由圖7可以看出，加入KCl溶液可以增強(qiáng)鎳電極在稀硫酸溶液中的鈍化和腐蝕程度，其鈍化和腐蝕程度隨KCl溶液濃度的增大而增大。

在第六組實(shí)驗(yàn)中，電解質(zhì)溶液組成固定為50 mL的0.1 mol/L硫酸溶液中與3 mL 0.1 mol/L KCl溶液的混合溶液，改變溫度，結(jié)果如圖8所示。通過圖8可以得出以下結(jié)論：加入KCl溶液可以加強(qiáng)鎳電極在稀硫酸中的鈍化和腐蝕程度，加入KCl溶液濃度一定時(shí)，腐蝕和鈍化程度隨溫度增大而增大。

圖5 鎳電極在不同濃度的H2SO4溶液中隨溫度變化的極化曲線Fig.5 Polarization curves of nickel electrode with temperature in different concentration of H2SO4 solution

圖6 不同溫度時(shí)鎳電極隨H2SO4溶液濃度變化的極化曲線Fig.6 Polarization curves of nickel electrode with concentration of H2SO4 solution at different temperatures

圖7 25℃鎳電極在3 mL不同濃度的KCl溶液與50 mL 0.1 mol/L H2SO4溶液的混合溶液中的極化曲線Fig.7 At 25℃,polarization curves of nickel electrode in mixed solutions of 3 mL KCl solution of different concentration and 50 mL 0.1 mol/L H2SO4 solution

圖8 鎳電極在50 mL 0.1 mol/L的H2SO4溶液與3 mL 0.1 mol/L的KCl溶液的混合溶液隨溫度變化的極化曲線Fig.8 Polarization curves of nickel electrode in mixed solutions of 50 mL 0.1 mol/L H2SO4 and 3 mL 0.1 mol/L KCl with temperature

由以上實(shí)驗(yàn)可以得出，鎳電極在稀硫酸溶液中可以腐蝕和鈍化，鎳電極能否在堿性溶液中腐蝕和鈍化呢？帶著這一疑問，我們對鎳電極在氨水和碳酸氫銨(1∶1)混合溶液及其在NaOH溶液中的化學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，鎳電極在氨水和碳酸氫銨(1∶1)混合溶液中電位稍微偏離內(nèi)給定電壓時(shí)，電流已經(jīng)非常大，超出量程，無法實(shí)驗(yàn)；而鎳電極在NaOH溶液中不鈍化。

3 結(jié)論

本文采用恒電位法，分別對碳鋼電極和鎳電極在酸性電解質(zhì)溶液和堿性電解質(zhì)溶液中的化學(xué)行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)探究。結(jié)論如下：碳鋼電極在NaOH溶液中只腐蝕不鈍化，在氨水和碳酸氫銨混合溶液中既腐蝕又鈍化，在硫酸溶液中不腐蝕也不鈍化；鎳電極在NaOH溶液中只腐蝕不鈍化，在氨水和碳酸氫銨混合溶液中不腐蝕也不鈍化，在硫酸溶液中既腐蝕又鈍化。影響電極腐蝕和鈍化的因素有溫度與電解質(zhì)溶液濃度。溫度越高，電極腐蝕和鈍化行為越強(qiáng)；電解質(zhì)溶液濃度越大，電極腐蝕和鈍化行為越強(qiáng)。