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)試工作電極來說是一個(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)試工作電極來說是一個(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)體系來說，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)的電位電流變化過程

Tafel極化曲線可分為活性溶解區(qū)、過渡鈍化區(qū)、穩(wěn)定鈍化區(qū)和過鈍化區(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)移過電壓或活化過電壓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，該方法是以過電勢(shì)很小時(shí)( η＜10mV)，過電勢(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，可通過檢測(cè)腐蝕產(chǎn)物來計(jì)算當(dāng)量。

將電化學(xué)法測(cè)量得到的腐蝕電流通過簡(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.