陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能實驗的教學體會

宋振興，程紹玲，梁 山，崔玉紅

（天津科技大學，理學院，天津 300457）

隨著我國對新能源領域的政策及資金支持力度不斷加大［1］，對電化學專業人才的需求不斷提高，為提高相關領域人才理論及實踐水平，天津科技大學理學院2019 年開設了面向化學專業研究生的基礎必修課程先進功能電極及測量技術，本課程涵蓋了電化學前沿、基礎電化學理論、應用電化學及電化學測量等課程的重點內容，主要包括：先進功能性電極前沿發展情況簡介、電極功能實現的基本原理、復雜結構電極的制備方法及電極性能的測量表征方法與實驗［2］。

課程內實驗陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能涉及到的陽極氧化技術是電化學測量技術中最常用的加速腐蝕測試手段，常用來進行材料耐腐蝕性能表征［3-4］。目前，在教學實踐中出現了很多測試及理論上的錯漏，因此將與此測量技術相關的理論及要點進行介紹并辨析實際測量中出現的問題尤為重要。

本文根據先進功能電極及測量技術的教學經驗，對課程教學進行了有益的探索，總結了陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能實驗的特點并進一步探討提高本實驗教學質量、優化教學體系的方法，淺述了近幾年來講授陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能實驗的幾點教學體會，著力解決教學中存在的理論與實踐脫鉤的問題，指出了測試實踐中經常出現的問題及解決辦法，提高了學生解決實際問題的能力。

1 實驗目的

本實驗的主要教學目標是提高學生解決電化學測試中遇到的實際問題的能力，明晰理論與實踐的聯系與區別，具體包括以下內容：（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踐中快速獲取數據的方法。

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，叫做陽極極化?？刂脐枠O的電位向正向移動，并測量相應的穩態電流密度，就可以繪制出電流密度的對數和電位之間的關系曲線，即陽極極化曲線（圖1）。本實驗在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使電極反應處于穩態，同時考慮到實驗效率，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區進行線性擬合，兩條擬合直線交點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。實踐中往往把起始電位設置為開路電位值負移0.1～0.5 V，這樣既能保證縱坐標轉變為對數坐標后的塔菲爾線性區有足夠數據用于擬合，也不至于出現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）實驗儀器為：電化學工作站（CHI660E）、飽和甘汞電極、不銹鋼電極作為對電極、燒杯、魯金毛細管、洗耳球、導線。

（2）所需試劑為：裸露面積為1 cm2左右的鋅、銅、鎳試樣，試樣焊接導線并在導線與試樣接頭處進行絕緣處理、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 實驗步驟

（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，將魯金毛細管活塞打開，用洗耳球吸入5%氯化鈉溶液至活塞處，關閉活塞，固定好輔助電極、參比電極和研究電極，保證魯金毛細管口與研究電極距離為0.5 mm。

（3）按圖2 所示用導線分別將研究電極、輔助電極和參比電極與電化學工作站的相應端口連接。按電化學工作站的操作步驟先測定研究電極的開路電位a，然后設置電位起點為a-0.2 mV，終點電位為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，達到設定電位后，電化學工作站給出陽極極化曲線數據。

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

（4）導出數據，將電流數據除以面積，得到電流密度數據。電流密度的對數作為縱坐標，電位值為橫坐標，得到圖1 所示電流密度的對數和電位之間的關系曲線，稱之為陽極極化曲線。選取圖中線性數據進行擬合，得到兩條直線，直線延長線焦點的橫縱坐標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，實驗結果見圖3。

圖3 陽極極化實驗結果示意圖Fig.3 Schematic diagram of anodic polarization test results

5 測試中經常出現的問題

針對陽極極化法測定金屬耐腐蝕性能實驗課教學實踐中經常出現的問題重要包括以下幾個方面。

（1）塔菲爾區及曲線的錯誤理解：如圖1 所示，塔菲爾區指陽極極化曲線的線性部分，而目前國內非常多的論文將陽極極化曲線錯誤地標注為塔菲爾曲線，造成了基本概念的混淆及數據處理過程的錯誤。因此，在教學過程中應強調塔菲爾區僅是陽極極化曲線的一部分，不能以偏概全，在敘述及數據處理過程中要嚴格區分二者。

（2）電流與電流密度的區別：很多同學在測試過程中將得到的電流數據直接用作陽極極化曲線的縱坐標而沒有將其轉變為電流密度，導致了最終對比各個試樣的腐蝕電流密度與腐蝕電位時出現了偏差。為此，在教學上應強調要將電流轉化為電流密度，即將廣度量轉化為強度量從而易于比較。

（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該由塔菲爾曲線的延長線焦點讀出，具體操作可以使用擬合法。目前問題出現在僅僅由陽極極化曲線的頂點讀取腐蝕電位數據（圖1），這樣得到的表觀腐蝕數據與塔菲爾法得到的數據會有一定偏差，特別是腐蝕電流偏差較大。教學中要求學生在實驗中必須使用塔菲爾法，同時強調在實踐中可以通過讀出陽極極化曲線頂點電位值從而對腐蝕電位進行快速預估，但腐蝕電流不應如此預估。

（4）擬合數據與表觀數據差異：如圖4 所示，由于試樣處理不規范、數據處理錯誤等原因，常常出現由擬合數據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右側表觀電流密度，發現同電位下，a 曲線的電流密度大于b 曲線，即表觀呈現的耐腐蝕性能b優于a。在教學中應令學生核實實驗步驟、儀器設置及數據處理過程錯漏，特別檢查試樣與導線連接狀態，并做平行實驗驗證數據真實性，直到所獲數據與圖3一致。

圖4 擬合數據與表觀數據對比圖Fig.4 Comparison of fitting data and apparent data

6 總結

經過多年教學實踐，論文總結了實驗教學過程中經常出現的幾種問題并給出了解決辦法，能令學生們學會解決陽極極化曲線實際測試過程中出現的問題，有利于理科研究生提高動手能力，增強自身競爭力［5］。