不同表面活性剂对碳钢电极极化曲线的影响

蒋华麟,陈萍华,舒红英,田恩柱,丁攻圣,王文莉

(1.南昌航空大学 环境与化学工程学院，江西 南昌 330063；2.江西省持久性污染物控制与资源循环利用重点实验室，江西 南昌 330063)

极化曲线实验是物理化学领域中的一种比较重要的基础数据测定实验[1-2],通过极化曲线的测定,可掌握有关金属电极的极化、阳极的溶解、钝化和过钝化、阴极的电沉积等方面的知识；可了解金属的腐蚀速度[3-4],如研究接地网金属及输电网镀锌钢的腐蚀、测试缓蚀剂的缓蚀机理和效果等；还可应用于电镀、电解及电分析等领域[5]。通过实验，加深学生对电化学理论的理解、熟练基本操作，掌握基本方法，培养严谨求实的工作作风和动手能力。电化学研究方法较多，而极化曲线的测定是研究电极过程的基本方法[6]。通过极化曲线可以求得钝化电位范围、钝化电位、钝化电流等电化学参数[7]。

本文以不同表面活性剂(十二烷基硫酸钠SDS及十六烷基三甲基溴化铵CTAB)对碳钢电极极化曲线的影响为例，采用HDY-Ⅱ恒电位仪进行测量。传统的表面活性剂可以分为阴离子型、阳离子性、两性和非离子型表面活性剂[8]。CTAB和SDS分别属于最常见、典型的阳离子型、阴离子表面活性剂，而且成本也比较低，所以本文选择这两个表面活性剂作为研究对象。通过实验数据处理，加深学生对极化曲线的特点和基本原理的理解，让学生通过极化曲线求得自腐蚀电位、自腐蚀电流、钝化电位范围、过钝化电位、钝化电流等电化学参数,并引导学生探讨不同类型的表面活性剂对碳钢电极的影响。该实验用于高等学校学生进行综合设计性实验，以培养学生的创新精神和实践能力。

1 实验部分

1.1 实验原理

实验使用了三电极体系。三电极构成极化回路和电位测量回路。极化回路中有极化电流通过,极化电流大小的控制和测量在此电路中进行。电位测量回路用电位测量或控制仪器来测量或控制研究电极相对于参比电极的电位,这一回路中几乎没有电流通过[5]。利用三电极体系可同时测定通过研究电极的电流和电位,从而得到单个电极的极化曲线。通过恒电位仪对研究电极给定一个恒定电位(即给定电位)后，测量与之对应的准稳态电流值(I)，以阳极电位E给定与开路电位E开路之差，即过电位η对通过电极的电流密度j对数lgj作图，得到如图1所示金属极化曲线示意图[9]。图中曲线可分为4个区域：

1)AB段为活性溶解区，此时金属进行正常的阳极溶解。阳极电流密度随外加给定电位的增加而随之增大，其变化符合Tafel公式；

2)BC段为钝化过渡区，此时阳极的金属表面生成钝化膜，电流密度随外加给定电位的增加而减少；

3)CD段为稳定钝化区，表面金属处于钝化状态，此时电流密度稳定在很小的值，而且与给定电位无关；

4)DE段为过钝化区，即钝化了的金属又开始溶解，电流密度随外加给定电位的增加而迅速增大。相对缓蚀效率[10]为：

(1)

式中，i0为未加缓蚀剂时的峰值电流,ic为加缓蚀剂时的峰值电流。

图1 金属极化曲线示意图

1.2 实验仪器与药品

包括HDY-Ⅱ恒电位仪(南京桑力电子设备厂)；饱和甘汞电极、铂(Pt)电极购自天津艾达恒晟科技有限公司；面积为1cm2的碳钢电极为自制，蜡封；浓硫酸、无水乙醇、碳酸铵、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)等均为分析纯；十二烷基硫酸钠(SDS)为化学纯，购自西陇化工有限公司；金相砂纸为市售。

1.3 实验步骤

1)碳钢电极预处理。

用金相砂纸将碳钢电极打磨至镜面光亮，用石蜡蜡封，留出1cm2面积，然后在丙酮、无水乙醇中除油，在0.5mol/L硫酸溶液中除去氧化层，浸泡时间分别不低于10s。进行打磨后用去离子水洗净并用滤纸吸干，使其自然电位大于0.8V。每次测量前都需重复此步骤。

2)溶液的配制。

a.分别配制含不同浓度阳离子表面活性剂CTAB(0.001，0.002，0.003，0.005，0.010mol/L)的2mol/L碳酸铵溶液；

b.分别配制含不同浓度阴离子表面活性剂SDS(0.0004，0.0008，0.0012，0.0016，0.0020mol/L)的2mol/L碳酸铵溶液。

3)恒电位法测量极化曲线。

a.改变给定电压，记录碳钢电极在不同溶液中对应的电流值。

b.以电流密度对电极电势作图得到极化曲线。

2 实验结果讨论

碳钢电极在添加不同浓度CTAB或SDS的2mol/L碳酸铵溶液中的极化曲线，如图2所示。

图2添加不同浓度CTAB的2mol/L碳酸铵溶液对碳钢电极的极化曲线图

图3添加不同浓度SDS的2mol/L碳酸铵溶液对碳钢电极的极化曲线图

由图2和图3可以看出，添加一定浓度SDS或CTAB的2mol/L碳酸铵溶液为电解质溶液时，碳钢电极的极化曲线与金属的极化曲线示意图(图1)的图形相似，均由4个区域组成，即活性溶解区(其变化符合Tafel公式)、钝化过渡区、稳定钝化区和过钝化区。其稳定钝化区域相差不大，但添加表面活性剂的浓度不同对碳钢电极的极化曲线最大电流密度和缓蚀效率有一定影响。

表1添加不同浓度CTAB对碳钢电极的最大电流密度和缓蚀率等的影响(碳酸铵的浓度均为2mol/L)

CTAB的浓度/mol·L-1稳定钝化区/V最大电流密度/mA·cm‱2缓蚀率/%0-0.52～0.969.03—0.001-0.5～0.924.7147.840.002-0.48～0.945.0643.970.003-0.50～0.944.7547.400.005-0.50～0.965.0344.300.010-0.49～0.945.0644.00

表1的数据表明添加阳离子表面活性剂CTAB浓度为0.001～0.010mol/L时，最大电流密度均降低，其稳定钝化区域相差不大，说明在此浓度范围内均能起到一定的缓蚀作用。最大电流密度变化范围为4.71～5.06mA/cm2，缓蚀效率变化范围为43.97%～47.84%，当CTAB的浓度为0.001mol/L时缓蚀效果相对最好。

表2的数据表明添加阴离子表面活性剂SDS浓度为0.0004～0.0020mol/L时，最大电流密度均降低，其稳定钝化区域相差不大，说明在此浓度范围内能起到一定的缓蚀作用。最大电流密度变化范围为6.41～8.40mA/cm2，缓蚀效率变化范围为6.98%～29.01%，当SDS的浓度在该浓度范围内随着浓度的增大，缓蚀效果更好。当SDS的浓度为0.0020mol/L时缓蚀效率最高，为29.01%；但低于添加0.001～0.010mol/L阳离子表面活性剂CTAB时的缓蚀效率。其缓蚀机理可能是缓蚀为表面活性剂时，表面活性剂是含有亲水基和亲油基的两亲性分子。表面活性剂的一端易溶于水，另一端易从水中逃逸。表面活性剂分子在水溶液中易形成独特的定向排列，即亲水基插入水相而亲油基插入油相或竖在空气中。通过表面活性剂分子中不同部分分别对于水相和气相(或油相)的亲和，使两相都将表面活性剂分子作为本相的成分，也即相当于两个相与表面活性剂分子都没有形成界面，就相当于通过这种方式部分地消灭了两个相的界面，从而使界面张力或表面张力降低[11]。表面活性剂经常在疏水性和亲水结构的界面上吸收，在表面特性或系统表面之间产生变化[12]。因表面活性剂的表面活性高，优先吸附在碳钢表面，对碳钢形成保护层，抑制其电化学腐蚀。

表2添加不同浓度SDS对碳钢电极的最大电流密度和缓蚀率等的影响(碳酸铵的浓度均为2mol/L)

SDS的浓度/mol·L-1稳定钝化区/V最大电流密度/mA·cm‱2缓蚀率/%0-0.52～0.969.03—0.000 4-0.49～0.978.406.980.000 8-0.49～0.938.406.980.001 2-0.50～0.947.7014.730.001 6-0.50～0.966.6226.690.002 0-0.50～0.966.4129.01

3 结束语

通过碳钢电极在添加不同浓度CTAB或SDS的2mol/L碳酸铵溶液中的极化曲线的绘制，结果表明，表面活性剂CTAB及SDS的加入可提高碳钢电极的缓蚀效率。其最大电流密度均降低，其稳定钝化区域相差不大，说明在此浓度范围内能起到一定的缓蚀作用。当加入阳离子表面活性剂CTAB的浓度为0.001mol/L时缓蚀效率为47.84%。添加阴离子表面活性剂SDS浓度为0.0020mol/L时缓蚀效率最高，为29.01%。其可能原因是表面活性剂的表面活性高，优先吸附在碳钢表面形成保护层，提高缓蚀效率。在设计浓度范围内，已经看到了它们对缓蚀的影响，可以得出一些有益的结论，达到了我们最初设计时的效果，后续还可以选择更大的浓度范围进行优化用于本科生相关专业进行的综合设计性实验，培养学生的创新实践能力。