海水中钢铁材料上阴极氧气还原反应研究

摘要

在海水环境中,钢铁材料的腐蚀属于氧阴极去极化腐蚀。氧还原反应中会产生大量超氧离子(O2-)等中间活性物质,降低了钢基体与涂层之间的黏附力,导致了涂层的脱落、破坏,加速了钢铁材料腐蚀断裂,同时,钢铁中许多有毒的重金属离子也溶解到海水中,严重污染了海洋生态环境,危害了人类的健康。不仅带来了巨大的经济损失还成为一种不可忽视的安全隐患。因此,研究海水中钢铁材料上的氧还原反应对于弄清钢铁的腐蚀机理甚为重要,在资源和环境保护中具有重要意义。本文采用循环伏安法定性的研究氧还原反应以及铁元素本身的电化学行为,使用交流阻抗法研究不同预处理方式对氧还原反应的影响,定性确定不同电位下电极上主要反应、电子转移电阻等参数并试确定各个反应所对应的时间常数;通过旋转圆盘电极、旋转圆环圆盘电极和旋转圆柱电极对海水中钢铁材料上氧还原反应动力学行为进行研究。钢铁的金相组织分析表明:实验使用的X60钢的金相组织是由白色块状的铁素体和黑色珠光体组成的热轧态的金相组织。A3钢和20钢是由白色块状的铁素体和黑色珠光体组成的典型的退火态组织。从开路电位随时间变化关系得出X60和A3钢在空气饱和的NaCl溶液中开路电位和时间的关系均经历过电位负移-正移-负移,最后达到一个稳定值的过程。产生这种变化的原因可能是铁氧化物的水解、高价态铁氧化物的生成,最后形成一层钝化膜。氧还原反应的循环伏安曲线表明阴极部分有两个还原峰依次为铁的还原和氧气的还原,阳极部分存在的两个峰为铁的氧化峰,铁在氧还原反应过程中发生了以下转化。二价铁的存在催化了氧气的还原反应。交流阻抗实验的波特图中存在三个时间常数0、1、2,时间常数0所代表的峰是铁的氧化物还原,1是氧还原反应,2是氢气的析出。同一反应相位角相近。旋转电极系统实验表明在A3和X60钢上氧还原反应同时进行二电子还原反应和四电子还原反应,反应电子数分别为3和3.3,反应以四电子为主。氧还原反应过程同时受扩散和电化学控制。

目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 问题的提出及研究意义

1.1.1 问题的提出

1.1.2 研究的意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 氧气还原反应机理研究

1.2.2 海水中钢铁材料上氧还原反应机理

1.2.3 钢铁表面氧化膜的影响

1.2.4 生物膜的影响

1.2.5 离子影响

1.2.6 测试方法

1.3 本文研究的目的和研究内容

1.3.1 本文研究的目的

1.3.2 本文研究的主要内容

2 电化学测试方法原理

2.1 循环伏安法原理

2.2 交流阻抗法原理

2.3 旋转圆盘、旋转环盘、旋转圆柱方法

3 金相及电极表面XRD 分析

3.1 实验

3.1.1 仪器设备

3.1.2 实验材料及试剂

3.1.3 实验过程

3.2 实验结果与分析

3.2.1 金相分析

3.2.2 XRD 分析

3.3 小结

4 氧还原反应循环伏安研究

4.1 实验

4.1.1 仪器设备

4.1.2 实验材料及试剂

4.1.3 实验过程

4.2 实验结果与分析

4.2.1 开路电位随时间变化图

4.2.2 循环伏安测试

4.3 小结

5 氧还原反应交流阻抗谱分析

5.1 实验

5.1.1 仪器设备

5.1.2 实验材料及试剂

5.1.3 实验过程

5.2 实验结果与分析

5.2.1 X60 钢上氧还原反应交流阻抗谱

5.2.2 A3 钢上氧还原反应交流阻抗谱

5.2.3 20 钢上氧还原反应交流阻抗谱

5.3 小结

6 氧还原反应动力学分析

6.1 实验

6.1.1 仪器设备

6.1.2 实验材料与试剂

6.1.3 实验过程

6.2 实验结果与分析

6.2.1 X60 钢上氧还原反应动力学分析

6.2.2 A3 钢上氧还原反应动力学分析

6.3 小结

7 结论与展望

7.1 主要结论

7.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录