陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)的教學(xué)體會(huì)

宋振興，程紹玲，梁 山，崔玉紅

（天津科技大學(xué)，理學(xué)院，天津 300457）

隨著我國對(duì)新能源領(lǐng)域的政策及資金支持力度不斷加大［1］，對(duì)電化學(xué)專業(yè)人才的需求不斷提高，為提高相關(guān)領(lǐng)域人才理論及實(shí)踐水平，天津科技大學(xué)理學(xué)院2019 年開設(shè)了面向化學(xué)專業(yè)研究生的基礎(chǔ)必修課程先進(jìn)功能電極及測量技術(shù)，本課程涵蓋了電化學(xué)前沿、基礎(chǔ)電化學(xué)理論、應(yīng)用電化學(xué)及電化學(xué)測量等課程的重點(diǎn)內(nèi)容，主要包括：先進(jìn)功能性電極前沿發(fā)展情況簡介、電極功能實(shí)現(xiàn)的基本原理、復(fù)雜結(jié)構(gòu)電極的制備方法及電極性能的測量表征方法與實(shí)驗(yàn)［2］。

課程內(nèi)實(shí)驗(yàn)陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能涉及到的陽極氧化技術(shù)是電化學(xué)測量技術(shù)中最常用的加速腐蝕測試手段，常用來進(jìn)行材料耐腐蝕性能表征［3-4］。目前，在教學(xué)實(shí)踐中出現(xiàn)了很多測試及理論上的錯(cuò)漏，因此將與此測量技術(shù)相關(guān)的理論及要點(diǎn)進(jìn)行介紹并辨析實(shí)際測量中出現(xiàn)的問題尤為重要。

本文根據(jù)先進(jìn)功能電極及測量技術(shù)的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)課程教學(xué)進(jìn)行了有益的探索，總結(jié)了陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)并進(jìn)一步探討提高本實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量、優(yōu)化教學(xué)體系的方法，淺述了近幾年來講授陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)的幾點(diǎn)教學(xué)體會(huì)，著力解決教學(xué)中存在的理論與實(shí)踐脫鉤的問題，指出了測試實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)的問題及解決辦法，提高了學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/h2>

本實(shí)驗(yàn)的主要教學(xué)目標(biāo)是提高學(xué)生解決電化學(xué)測試中遇到的實(shí)際問題的能力，明晰理論與實(shí)踐的聯(lián)系與區(qū)別，具體包括以下內(nèi)容：（1）了解陽極極化法測試材料耐腐蝕性能的基本原理和方法。（2）掌握三電極體系的基本原理及使用方法。（3）了解腐蝕電位、腐蝕電流密度概念并比較三種金屬的耐腐蝕性能。（4）了解塔菲爾曲線的理論基礎(chǔ)及其與陽極極化曲線的異同。（5）了解電流與電流密度的異同。（6）了解腐蝕電流密度與腐蝕電位的讀取及實(shí)踐中快速獲取數(shù)據(jù)的方法。

2 基本原理

陽極的電位偏離其自然腐蝕電位向正方向移動(dòng)，叫做陽極極化?？刂脐枠O的電位向正向移動(dòng)，并測量相應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電流密度，就可以繪制出電流密度的對(duì)數(shù)和電位之間的關(guān)系曲線，即陽極極化曲線（圖1）。本實(shí)驗(yàn)在5%氯化鈉溶液中測試鋅、銅、鎳三種金屬的陽極極化曲線，通過測試三種金屬腐蝕電位及腐蝕電流密度可以方便地比較三種金屬的耐腐蝕性能，這是目前最常用的加速測定金屬耐腐蝕性能的方法。

圖1 陽極極化曲線示意圖Fig.1 Schematic diagram of anodic polarization curve

測試過程中，陽極極化電位的變化速率應(yīng)使電極反應(yīng)處于穩(wěn)態(tài)，同時(shí)考慮到實(shí)驗(yàn)效率，一般控制陽極極化電位變化速率為0.1 mV/s。使用電化學(xué)工作站能簡便地得到陽極極化曲線。如圖1 所示，將陽極極化曲線的Tafel區(qū)進(jìn)行線性擬合，兩條擬合直線交點(diǎn)的電位及電流密度即是腐蝕電位和腐蝕電流密度。腐蝕電位越正，腐蝕電流密度越小，耐腐蝕性能越好。實(shí)踐中往往把起始電位設(shè)置為開路電位值負(fù)移0.1～0.5 V，這樣既能保證縱坐標(biāo)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)數(shù)坐標(biāo)后的塔菲爾線性區(qū)有足夠數(shù)據(jù)用于擬合，也不至于出現(xiàn)過多陰極極化從而影響電極耐腐蝕性能表征。

3 儀器與試劑

（1）實(shí)驗(yàn)儀器為：電化學(xué)工作站（CHI660E）、飽和甘汞電極、不銹鋼電極作為對(duì)電極、燒杯、魯金毛細(xì)管、洗耳球、導(dǎo)線。

（2）所需試劑為：裸露面積為1 cm2左右的鋅、銅、鎳試樣，試樣焊接導(dǎo)線并在導(dǎo)線與試樣接頭處進(jìn)行絕緣處理、5%氯化鈉溶液、無水乙醇、脫脂棉、飽和氯化鉀溶液、金剛砂布。

4 實(shí)驗(yàn)步驟

（1）電極處理：用金剛砂布依次打磨電極，測量暴露表面尺寸，然后用無水乙醇除去油污。

（2）在燒杯中倒入待測溶液，將魯金毛細(xì)管活塞打開，用洗耳球吸入5%氯化鈉溶液至活塞處，關(guān)閉活塞，固定好輔助電極、參比電極和研究電極，保證魯金毛細(xì)管口與研究電極距離為0.5 mm。

（3）按圖2 所示用導(dǎo)線分別將研究電極、輔助電極和參比電極與電化學(xué)工作站的相應(yīng)端口連接。按電化學(xué)工作站的操作步驟先測定研究電極的開路電位a，然后設(shè)置電位起點(diǎn)為a-0.2 mV，終點(diǎn)電位為a+0.8 mV，電位變化速率為0.1 mV/min。按START 按鈕陽極極化開始，達(dá)到設(shè)定電位后，電化學(xué)工作站給出陽極極化曲線數(shù)據(jù)。

圖2 三電極體系示意圖Fig.2 Schematic diagram of three electrode system

（4）導(dǎo)出數(shù)據(jù)，將電流數(shù)據(jù)除以面積，得到電流密度數(shù)據(jù)。電流密度的對(duì)數(shù)作為縱坐標(biāo)，電位值為橫坐標(biāo)，得到圖1 所示電流密度的對(duì)數(shù)和電位之間的關(guān)系曲線，稱之為陽極極化曲線。選取圖中線性數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到兩條直線，直線延長線焦點(diǎn)的橫縱坐標(biāo)分別為腐蝕電位及腐蝕電流密度，腐蝕電流密度越小、腐蝕電位越正，電極耐腐蝕性能越好，比較三條曲線峰腐蝕電位及腐蝕電流密度并得出三種金屬耐腐蝕性能順序，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 陽極極化實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖Fig.3 Schematic diagram of anodic polarization test results

5 測試中經(jīng)常出現(xiàn)的問題

針對(duì)陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能實(shí)驗(yàn)課教學(xué)實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)的問題重要包括以下幾個(gè)方面。

（1）塔菲爾區(qū)及曲線的錯(cuò)誤理解：如圖1 所示，塔菲爾區(qū)指陽極極化曲線的線性部分，而目前國內(nèi)非常多的論文將陽極極化曲線錯(cuò)誤地標(biāo)注為塔菲爾曲線，造成了基本概念的混淆及數(shù)據(jù)處理過程的錯(cuò)誤。因此，在教學(xué)過程中應(yīng)強(qiáng)調(diào)塔菲爾區(qū)僅是陽極極化曲線的一部分，不能以偏概全，在敘述及數(shù)據(jù)處理過程中要嚴(yán)格區(qū)分二者。

（2）電流與電流密度的區(qū)別：很多同學(xué)在測試過程中將得到的電流數(shù)據(jù)直接用作陽極極化曲線的縱坐標(biāo)而沒有將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏髅芏龋瑢?dǎo)致了最終對(duì)比各個(gè)試樣的腐蝕電流密度與腐蝕電位時(shí)出現(xiàn)了偏差。為此，在教學(xué)上應(yīng)強(qiáng)調(diào)要將電流轉(zhuǎn)化為電流密度，即將廣度量轉(zhuǎn)化為強(qiáng)度量從而易于比較。

（3）腐蝕電流密度與腐蝕電位的讀?。焊g電流密度與腐蝕電位應(yīng)該由塔菲爾曲線的延長線焦點(diǎn)讀出，具體操作可以使用擬合法。目前問題出現(xiàn)在僅僅由陽極極化曲線的頂點(diǎn)讀取腐蝕電位數(shù)據(jù)（圖1），這樣得到的表觀腐蝕數(shù)據(jù)與塔菲爾法得到的數(shù)據(jù)會(huì)有一定偏差，特別是腐蝕電流偏差較大。教學(xué)中要求學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中必須使用塔菲爾法，同時(shí)強(qiáng)調(diào)在實(shí)踐中可以通過讀出陽極極化曲線頂點(diǎn)電位值從而對(duì)腐蝕電位進(jìn)行快速預(yù)估，但腐蝕電流不應(yīng)如此預(yù)估。

（4）擬合數(shù)據(jù)與表觀數(shù)據(jù)差異：如圖4 所示，由于試樣處理不規(guī)范、數(shù)據(jù)處理錯(cuò)誤等原因，常常出現(xiàn)由擬合數(shù)據(jù)得到的耐腐蝕性能順序與由表觀腐蝕電流密度得到的耐腐蝕性能順序相左：a、b 兩個(gè)試樣如果用由塔菲爾曲線擬合后求出的腐蝕電位來比較耐腐蝕性能，則a 的腐蝕電位較正，說明a 的耐腐蝕性能好于b；而觀察陽極極化曲線頂點(diǎn)右側(cè)表觀電流密度，發(fā)現(xiàn)同電位下，a 曲線的電流密度大于b 曲線，即表觀呈現(xiàn)的耐腐蝕性能b優(yōu)于a。在教學(xué)中應(yīng)令學(xué)生核實(shí)實(shí)驗(yàn)步驟、儀器設(shè)置及數(shù)據(jù)處理過程錯(cuò)漏，特別檢查試樣與導(dǎo)線連接狀態(tài)，并做平行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)真實(shí)性，直到所獲數(shù)據(jù)與圖3一致。

圖4 擬合數(shù)據(jù)與表觀數(shù)據(jù)對(duì)比圖Fig.4 Comparison of fitting data and apparent data

6 總結(jié)

經(jīng)過多年教學(xué)實(shí)踐，論文總結(jié)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中經(jīng)常出現(xiàn)的幾種問題并給出了解決辦法，能令學(xué)生們學(xué)會(huì)解決陽極極化曲線實(shí)際測試過程中出現(xiàn)的問題，有利于理科研究生提高動(dòng)手能力，增強(qiáng)自身競爭力［5］。