東華分析——Tafel極化法介紹

基本定義(yi)

Tafel極化法是一種能夠獲得體(ti) 係相對應的電化學信號的測試方法，即按照給定的階躍時間與(yu) 階躍高度使用一個(ge) 非常慢的掃描速度，在一個(ge) 以開路電位為(wei) 中心的，接近對稱的電勢範圍內(nei) 從(cong) 起始電位掃描到最終電位，從(cong) 而得到電化學體(ti) 係穩態電流隨著電勢變化的腐蝕技術。

Tafel極化法測試的基本原理

由於(yu) Tafel的掃描速度非常慢，在電化學體(ti) 係中也不斷地發生氧化還原反應，當掃描電勢小於(yu) 自腐蝕電勢的時候（Tafel陰極部分），外加電勢對於(yu) 測試工作電極來說是一個(ge) 保護，這時候在工作電極上是富電子，會(hui) 電解腐蝕環境（如果是鹽水，就是電解水反應）。在當掃描電勢大於(yu) 自腐蝕電勢的時候（Tafel陽極部分），外加電勢對於(yu) 測試工作電極來說是一個(ge) 破壞，這時候在工作電極上是缺電子，會(hui) 腐蝕工作電極（將金屬溶解）。因此Tafel測試對電化學體(ti) 係來說，其破壞性是不可逆的，多次Tafel測試會(hui) 顯著地降低工作電極的耐蝕性，導致後期測試出的數據不準確甚至錯誤。^［1］

電化學的響應電流本質上是一種反應速率的體(ti) 現，電流越大，證明該電壓下的電化學反應越劇烈，在界麵上電解腐蝕環境。但反應速率的增加不是無限的，會(hui) 受到反應物濃度的減少和產(chan) 物濃度的增加的阻礙。

電化學鈍化時的電位電流變化過程

Tafel極化曲線可分為(wei) 活性溶解區、過渡鈍化區、穩定鈍化區和過鈍化區四個(ge) 區，也可分為(wei) 線性區、弱極化區和強極化區。其中強極化區的一段曲線（E-logi）在一定的範圍內(nei) 呈現線性關(guan) 係，常用來計算Tafel常數以及腐蝕速率。

在陽極極化中當電勢開始慢慢向正方向變化的時候（相對自腐蝕電勢的差距變小，專(zhuan) 業(ye) 上叫電荷轉移過電壓或活化過電壓η），假設電化學體(ti) 係的有效阻抗大小不變，工作電極體(ti) 係內(nei) 部對於(yu) 電勢的響應開始增加，能用於(yu) 界麵的電化學反應的實際電勢變小，宏觀表現為(wei) 電流就越小。

對於(yu) 通常的金屬體(ti) 係陽極極化變化過程如下：

a、當電勢達到自腐蝕電勢的時候，工作電極分配了幾乎所有的電勢，電流出現最小值。

b、超過自腐蝕電勢，電勢開始慢慢向負方向變化，這時候的工作電極開始溶出、氧化反應，所以自腐蝕電勢越負，工作電極缺電子的情況越明顯，溶出就會(hui) 加快，表現為(wei) 電流的增加。

c、當電化學體(ti) 係金屬離子的濃度高到一定程度的時候，電流就不再升高，這時候工作電子的缺電子情況會(hui) 導致工作電極隻能通過將現有的腐蝕產(chan) 物進行進一步的升級氧化，也就是表麵鈍化，形成一個(ge) 較好的防腐蝕塗層。

d、當鈍化達到一定地方的時候會(hui) 導致體(ti) 係從(cong) 導電性良好的導體(ti) 情況變成了導電性較差的半導體(ti) 情況，表現為(wei) 電流的再次下降，但是電勢還是不停地遠離自腐蝕電勢的方向開始變化，也就是電勢-自腐蝕電勢差變大，當電勢差達到一定的大小之後，會(hui) 擊穿半導體(ti) 鈍化膜，工作電極直接麵對腐蝕環境，又重新開始新的自腐蝕電勢的循環（從(cong) 陰極半極開始）。

e、循環不斷地發生，會(hui) 導致每次新的自腐蝕電勢對應的最.低電流變大。這是因為(wei) 腐蝕從(cong) 表麵開始進入工作電極的內(nei) 部（晶間腐蝕）。

f、最終的結果是電勢變得非常大，消耗很多的電能，同時工作電極的強度也會(hui) 不斷下降。

應用範圍和特點

Tafel極化法廣泛應用於(yu) 研究金屬的陽極極化腐蝕體(ti) 係，是一種快速而有效的腐蝕電流速率測試方法，該方法是以過電勢很小時( η＜10mV)，過電勢與(yu) 極化電流呈線性關(guan) 係為(wei) 理論依據的，可快速測出金屬的腐蝕速率^［2］。此法快速省時，適用於(yu) 金屬均勻腐蝕的測量，塔菲爾極化法也常用於(yu) 分析評估燃料電池性能，電極催化活性，比較生物的電荷傳(chuan) 遞速率等方麵。

Tafel極化法的激勵信號

Tafel極化法的激勵信號圖

Tafel極化法在腐蝕分析中的應用

塔菲爾（Tafel）線外推法是一種測定腐蝕速率的方法。做法是將金屬樣品製成電極浸入腐蝕介質中，測量穩態的伏安（E~i）數據，作logi~E圖，將陰、陽極極化曲線的直線部分延長，所得交點對應的即為(wei) logi_corr，由腐蝕電流i_corr除以事先精確測量的樣品麵積S₀，即得腐蝕電流密度^［1］，再通過法拉第定律將電流和質量聯係在一起計算出腐蝕速率：

Q=nFM

式中 Q--反應產(chan) 生的電量；

n--電荷轉移數；

F--法拉第常數；

M--反應物物質的量。

其中，M=W/EW，代入上式得到：

W= EW×Q/F

W是反應物質的質量；

EW 為(wei) 當量質量。

注意：這一計算方法隻適用於(yu) 均勻腐蝕，當產(chan) 生局部腐蝕時，這一方法得到的結果會(hui) 大大低估實際情況。

對於(yu) 複雜合金發生均勻溶解時，當量是每個(ge) 合金成分當量的平均值。摩爾分數作為(wei) 權重因子，而不是質量分數。如果發生不均勻溶解，可通過檢測腐蝕產(chan) 物來計算當量。

將電化學法測量得到的腐蝕電流通過簡單的換算得到失重法測量的金屬腐蝕速度。此時，需要知道密度ρ，試樣麵積S。電量Q可通過Q=It 得到，t是時間；I是電流。代入法拉第常數。則將上式變為(wei) ：

CR=i_corrK×EW/ρS

式中，CR為(wei) 腐蝕速度，mm/a；i_corr為(wei) 腐蝕電流，A；K為(wei) 常數；EW 為(wei) 當量質量，g/eq；ρ為(wei) 密度，g/cm³；S為(wei) 麵積，cm²。

詳細測試方法可以參考標準ASTM G102。

Tafel極化法的實驗數據

1、Tafel極化法在研究銀絲(si) 腐蝕時的應用

樣品前處理：準備一個(ge) 直徑為(wei) 0.1cm 圓柱體(ti) 的銀絲(si) 樣品，截取長度9cm，在測試前先使用丙酮對其超聲5min除油，之後用1M的HNO₃活化1 min，最後用去離子水衝(chong) 洗後浸入電解質4cm進行測試，工作麵積為(wei) 1.26 cm²。

電解質體(ti) 係：中性鍍銀液；WE+SE短接-銀絲(si) ；RE-SCE；CE-Pt絲(si)

基本激勵信號參數：最初電位：-0.3V；最終電位：0.8V；階躍高度：0.1mV；階躍時間：0.1 s

DH7000 銀絲(si) Tafel

2、Tafel極化法在研究黃銅腐蝕時的應用

樣品前處理：準備一個(ge) 邊長為(wei) 1.0 cm的正方形黃銅片，背麵焊接一根銅導線作為(wei) 外引接線，非工作麵及導線裸露部分均用環氧樹脂密封固化用萬(wan) 用表測試樣品焊接點可正常導通後^［3］，將工作麵依次用顆粒度為(wei) 1500、2000、3000和5000目的砂紙進行打磨，用去離子水超聲5min進行清洗，最後用去離子水衝(chong) 洗後進行測試，工作麵積為(wei) 1.00 cm²。

電解質體(ti) 係：3.5wt% NaCl溶液；WE+SE短接-黃銅；RE-SCE；CE-Pt絲(si)

基本激勵信號參數：最初電位：-0.55 V；最終電位：0.45 V；階躍高度：0.1 mV；階躍時間：0.1 s

DH7000 黃銅 Tafel

3、Tafel極化法在研究玻碳電極在ZHL-02鍍銀液中腐蝕時的應用

樣品前處理：準備一根直徑為(wei) 0.8mm的玻碳電極，在測試前先使用三氧化二鋁粉對其進行機械打磨，然後用去離子水衝(chong) 洗後浸入電解質中進行測試，工作麵積為(wei) 0.50 mm²。

電解質體(ti) 係：ZHL-02鍍銀液；WE+SE短接- GCE；RE-SCE；CE-Pt絲(si)

基本激勵信號參數：最初電位：-0.5 V；最終電位：0.3 V；階躍高度：2.5 mV；階躍時間：1.25s

DH7000 玻碳電極Tafel

總結

Tafel極化法是一種常用於(yu) 腐蝕體(ti) 係中的電化學方法，該方法快速有效。腐蝕電勢的大小可以反映陽極發生腐蝕的難易程度，腐蝕電勢越大表明陽極越難被腐蝕^[5]。腐蝕電流密度的大小可以反映陽極發生腐蝕時的實際腐蝕速率，腐蝕電流密度越小表明陽極發生腐蝕行為(wei) 時的腐蝕速率越低，陽極的耐腐蝕性越好 ^[6]。

參考文獻

［1］CSDN博主的原創文章，遵循CC 4.0 BY-SA版權協議，原文鏈接：//blog.csdn./drbingibng/article/details/ 113129783

［2］ 電化學腐蝕行為(wei) ［J］．工業(ye) 科技，2009，38( 1) : 69-71．

［3］ 杜俊賢，胡鬆江，邢遠等. 基於(yu) Tafel-極化曲線法的常用金屬接地材料腐蝕行為(wei) 研究[J].工程與(yu) 試驗,2021,61(1):35-37.

［4］ 李伊陽,徐瑞東(dong) ,於(yu) 伯浩等.CeO2顆粒改性PbO2-MnO2複合惰性陽極的電化學性能[J].文.山學院學報,2018,31(3):19-22.

［5］ 甘章華，熊梅，張思等. 錫對 AlMgZnSnx 多組元合金自腐蝕電位的影響 [J]. 腐蝕與(yu) 防護，2014（7）：668-670.

［6］ 李曉豔，李明照，範劉群等. Mn 對 AZ91 合金耐蝕性能的影響 [J]. 稀有金屬材料與(yu) 工程，2014（2）：278-282.