基本定義

Tafel極化法是一種能夠獲得體系相對(duì)應(yīng)的電化學(xué)信號(hào)的測(cè)試方法,，即按照給定的階躍時(shí)間與階躍高度使用一個(gè)非常慢的掃描速度,，在一個(gè)以開路電位為中心的,，接近對(duì)稱的電勢(shì)范圍內(nèi)從起始電位掃描到最終電位,，從而得到電化學(xué)體系穩(wěn)態(tài)電流隨著電勢(shì)變化的腐蝕技術(shù),。

Tafel極化法測(cè)試的基本原理

由于Tafel的掃描速度非常慢,，在電化學(xué)體系中也不斷地發(fā)生氧化還原反應(yīng),，當(dāng)掃描電勢(shì)小于自腐蝕電勢(shì)的時(shí)候（Tafel陰極部分），外加電勢(shì)對(duì)于測(cè)試工作電極來(lái)說(shuō)是一個(gè)保護(hù),，這時(shí)候在工作電極上是富電子,，會(huì)電解腐蝕環(huán)境（如果是鹽水，就是電解水反應(yīng)）,。在當(dāng)掃描電勢(shì)大于自腐蝕電勢(shì)的時(shí)候（Tafel陽(yáng)極部分）,，外加電勢(shì)對(duì)于測(cè)試工作電極來(lái)說(shuō)是一個(gè)破壞，這時(shí)候在工作電極上是缺電子,，會(huì)腐蝕工作電極（將金屬溶解）,。因此Tafel測(cè)試對(duì)電化學(xué)體系來(lái)說(shuō)，其破壞性是不可逆的,，多次Tafel測(cè)試會(huì)顯著地降低工作電極的耐蝕性,，導(dǎo)致后期測(cè)試出的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確甚至錯(cuò)誤,。^［1］

電化學(xué)的響應(yīng)電流本質(zhì)上是一種反應(yīng)速率的體現(xiàn)，電流越大,，證明該電壓下的電化學(xué)反應(yīng)越劇烈,，在界面上電解腐蝕環(huán)境。但反應(yīng)速率的增加不是無(wú)限的,，會(huì)受到反應(yīng)物濃度的減少和產(chǎn)物濃度的增加的阻礙,。

電化學(xué)鈍化時(shí)的電位電流變化過(guò)程

Tafel極化曲線可分為活性溶解區(qū)、過(guò)渡鈍化區(qū),、穩(wěn)定鈍化區(qū)和過(guò)鈍化區(qū)四個(gè)區(qū),，也可分為線性區(qū)、弱極化區(qū)和強(qiáng)極化區(qū),。其中強(qiáng)極化區(qū)的一段曲線（E-logi）在一定的范圍內(nèi)呈現(xiàn)線性關(guān)系，常用來(lái)計(jì)算Tafel常數(shù)以及腐蝕速率,。

在陽(yáng)極極化中當(dāng)電勢(shì)開始慢慢向正方向變化的時(shí)候（相對(duì)自腐蝕電勢(shì)的差距變小,，專業(yè)上叫電荷轉(zhuǎn)移過(guò)電壓或活化過(guò)電壓η），假設(shè)電化學(xué)體系的有效阻抗大小不變,，工作電極體系內(nèi)部對(duì)于電勢(shì)的響應(yīng)開始增加,，能用于界面的電化學(xué)反應(yīng)的實(shí)際電勢(shì)變小，宏觀表現(xiàn)為電流就越小,。

對(duì)于通常的金屬體系陽(yáng)極極化變化過(guò)程如下：

a,、當(dāng)電勢(shì)達(dá)到自腐蝕電勢(shì)的時(shí)候，工作電極分配了幾乎所有的電勢(shì),，電流出現(xiàn)最小值,。

b、超過(guò)自腐蝕電勢(shì),，電勢(shì)開始慢慢向負(fù)方向變化,，這時(shí)候的工作電極開始溶出、氧化反應(yīng),，所以自腐蝕電勢(shì)越負(fù),，工作電極缺電子的情況越明顯，溶出就會(huì)加快,，表現(xiàn)為電流的增加,。

c、當(dāng)電化學(xué)體系金屬離子的濃度高到一定程度的時(shí)候,，電流就不再升高,，這時(shí)候工作電子的缺電子情況會(huì)導(dǎo)致工作電極只能通過(guò)將現(xiàn)有的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步的升級(jí)氧化，也就是表面鈍化,，形成一個(gè)較好的防腐蝕涂層,。

d,、當(dāng)鈍化達(dá)到一定地方的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致體系從導(dǎo)電性良好的導(dǎo)體情況變成了導(dǎo)電性較差的半導(dǎo)體情況，表現(xiàn)為電流的再次下降,，但是電勢(shì)還是不停地遠(yuǎn)離自腐蝕電勢(shì)的方向開始變化,，也就是電勢(shì)-自腐蝕電勢(shì)差變大，當(dāng)電勢(shì)差達(dá)到一定的大小之后,，會(huì)擊穿半導(dǎo)體鈍化膜,，工作電極直接面對(duì)腐蝕環(huán)境，又重新開始新的自腐蝕電勢(shì)的循環(huán)（從陰極半極開始）,。

e,、循環(huán)不斷地發(fā)生，會(huì)導(dǎo)致每次新的自腐蝕電勢(shì)對(duì)應(yīng)的最.低電流變大,。這是因?yàn)楦g從表面開始進(jìn)入工作電極的內(nèi)部（晶間腐蝕）,。

f、最終的結(jié)果是電勢(shì)變得非常大,，消耗很多的電能,，同時(shí)工作電極的強(qiáng)度也會(huì)不斷下降。

應(yīng)用范圍和特點(diǎn)

Tafel極化法廣泛應(yīng)用于研究金屬的陽(yáng)極極化腐蝕體系,，是一種快速而有效的腐蝕電流速率測(cè)試方法,，該方法是以過(guò)電勢(shì)很小時(shí)( η＜10mV)，過(guò)電勢(shì)與極化電流呈線性關(guān)系為理論依據(jù)的,，可快速測(cè)出金屬的腐蝕速率^［2］,。此法快速省時(shí)，適用于金屬均勻腐蝕的測(cè)量,，塔菲爾極化法也常用于分析評(píng)估燃料電池性能,，電極催化活性，比較生物的電荷傳遞速率等方面,。

Tafel極化法的激勵(lì)信號(hào)

Tafel極化法的激勵(lì)信號(hào)圖

Tafel極化法在腐蝕分析中的應(yīng)用

塔菲爾（Tafel）線外推法是一種測(cè)定腐蝕速率的方法,。做法是將金屬樣品制成電極浸入腐蝕介質(zhì)中，測(cè)量穩(wěn)態(tài)的伏安（E~i）數(shù)據(jù),，作logi~E圖，將陰,、陽(yáng)極極化曲線的直線部分延長(zhǎng),，所得交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的即為logi_corr，由腐蝕電流i_corr除以事先精確測(cè)量的樣品面積S₀,，即得腐蝕電流密度^［1］，再通過(guò)法拉第定律將電流和質(zhì)量聯(lián)系在一起計(jì)算出腐蝕速率：

Q=nFM

式中 Q--反應(yīng)產(chǎn)生的電量,；

n--電荷轉(zhuǎn)移數(shù),；

F--法拉第常數(shù)；

M--反應(yīng)物物質(zhì)的量,。

其中，M=W/EW,，代入上式得到：

W= EW×Q/F

W是反應(yīng)物質(zhì)的質(zhì)量；

EW 為當(dāng)量質(zhì)量,。

注意：這一計(jì)算方法只適用于均勻腐蝕,，當(dāng)產(chǎn)生局部腐蝕時(shí)，這一方法得到的結(jié)果會(huì)大大低估實(shí)際情況,。

對(duì)于復(fù)雜合金發(fā)生均勻溶解時(shí),，當(dāng)量是每個(gè)合金成分當(dāng)量的平均值,。摩爾分?jǐn)?shù)作為權(quán)重因子,，而不是質(zhì)量分?jǐn)?shù)。如果發(fā)生不均勻溶解,，可通過(guò)檢測(cè)腐蝕產(chǎn)物來(lái)計(jì)算當(dāng)量,。

將電化學(xué)法測(cè)量得到的腐蝕電流通過(guò)簡(jiǎn)單的換算得到失重法測(cè)量的金屬腐蝕速度。此時(shí),，需要知道密度ρ,，試樣面積S,。電量Q可通過(guò)Q=It 得到,，t是時(shí)間,；I是電流。代入法拉第常數(shù),。則將上式變?yōu)椋?/span>

CR=i_corrK×EW/ρS

式中，CR為腐蝕速度,，mm/a,；i_corr為腐蝕電流,，A,；K為常數(shù)；EW 為當(dāng)量質(zhì)量,，g/eq；ρ為密度,，g/cm³；S為面積,，cm²,。

詳細(xì)測(cè)試方法可以參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM G102,。

Tafel極化法的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

1、Tafel極化法在研究銀絲腐蝕時(shí)的應(yīng)用

樣品前處理：準(zhǔn)備一個(gè)直徑為0.1cm 圓柱體的銀絲樣品,，截取長(zhǎng)度9cm,，在測(cè)試前先使用丙酮對(duì)其超聲5min除油，之后用1M的HNO₃活化1 min,，最后用去離子水沖洗后浸入電解質(zhì)4cm進(jìn)行測(cè)試，工作面積為1.26 cm²,。

電解質(zhì)體系：中性鍍銀液,；WE+SE短接-銀絲；RE-SCE；CE-Pt絲

基本激勵(lì)信號(hào)參數(shù)：最初電位：-0.3V,；最終電位：0.8V,；階躍高度：0.1mV；階躍時(shí)間：0.1 s

DH7000 銀絲Tafel

2,、Tafel極化法在研究黃銅腐蝕時(shí)的應(yīng)用

樣品前處理：準(zhǔn)備一個(gè)邊長(zhǎng)為1.0 cm的正方形黃銅片，背面焊接一根銅導(dǎo)線作為外引接線,，非工作面及導(dǎo)線裸露部分均用環(huán)氧樹脂密封固化用萬(wàn)用表測(cè)試樣品焊接點(diǎn)可正常導(dǎo)通后^［3］,，將工作面依次用顆粒度為1500、2000,、3000和5000目的砂紙進(jìn)行打磨,，用去離子水超聲5min進(jìn)行清洗，最后用去離子水沖洗后進(jìn)行測(cè)試,，工作面積為1.00 cm²。

電解質(zhì)體系：3.5wt% NaCl溶液,；WE+SE短接-黃銅；RE-SCE,；CE-Pt絲

基本激勵(lì)信號(hào)參數(shù)：最初電位：-0.55 V,；最終電位：0.45 V,；階躍高度：0.1 mV；階躍時(shí)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(shí)的應(yīng)用

樣品前處理：準(zhǔn)備一根直徑為0.8mm的玻碳電極,，在測(cè)試前先使用三氧化二鋁粉對(duì)其進(jìn)行機(jī)械打磨，然后用去離子水沖洗后浸入電解質(zhì)中進(jìn)行測(cè)試,，工作面積為 0.50 mm²。

電解質(zhì)體系：ZHL-02鍍銀液,；WE+SE短接- GCE,；RE-SCE,；CE-Pt絲

基本激勵(lì)信號(hào)參數(shù)：最初電位：-0.5 V,；最終電位：0.3 V；階躍高度：2.5 mV,；階躍時(shí)間：1.25s

DH7000 玻碳電極Tafel

總結(jié)

Tafel極化法是一種常用于腐蝕體系中的電化學(xué)方法,，該方法快速有效,。腐蝕電勢(shì)的大小可以反映陽(yáng)極發(fā)生腐蝕的難易程度，腐蝕電勢(shì)越大表明陽(yáng)極越難被腐蝕^[5],。腐蝕電流密度的大小可以反映陽(yáng)極發(fā)生腐蝕時(shí)的實(shí)際腐蝕速率,，腐蝕電流密度越小表明陽(yáng)極發(fā)生腐蝕行為時(shí)的腐蝕速率越低，陽(yáng)極的耐腐蝕性越好 ^[6],。

參考文獻(xiàn)

［1］CSDN博主的原創(chuàng)文章,，遵循CC 4.0 BY-SA版權(quán)協(xié)議,，原文鏈接：//blog.csdn./drbingibng/article/details/ 113129783

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

［3］ 杜俊賢，胡松江,，邢遠(yuǎn)等. 基于Tafel-極化曲線法的常用金屬接地材料腐蝕行為研究[J].工程與試驗(yàn),2021,61(1):35-37.

［4］ 李伊陽(yáng),徐瑞東,于伯浩等.CeO2顆粒改性PbO2-MnO2復(fù)合惰性陽(yáng)極的電化學(xué)性能[J].文.山學(xué)院學(xué)報(bào),2018,31(3):19-22.

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

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