電化學充電過程中鐵的意外腐蝕解釋了氫滲透非典型行為的原因。

鑑於對可持續發展的重視，從碳基燃料經濟到氫基經濟的轉變引起了世界各地的興趣。作為腐蝕研究人員，我們顯然需要研究氫與材料的基本相互作用，因為這構成了氫基礎設施的基礎，特別是與氫傳輸相關的基礎設施。例如，將氫氣與天然氣混合的管道提供了一種長距離運輸氫氣的經濟方式。

對於此類應用來說，最重要的是此類鋼的氫擴散特性，因為它們提供了有關可能導致失效的氫閾值量的基本知識。

可靠測量鋼中氫擴散係數對於氫與材料相互作用領域的研究人員來說非常重要。

當我們開始測量鋼中氫的擴散特性時，我們認為我們可以簡單地將其基於現有的 ASTM（美國測試與材料協會）標準。我們認為我們實際上可以使用經典的 Devanathan-Stachursky 雙滲透池來測量典型的氫滲透瞬態。

在這種方法中，在樣品的一側充入氫氣後，在突破時間後在另一側檢測到第一個原子氫，隨後氫氣通量“上升”，最後達到穩定狀態，可以估計擴散係數。

雖然看起來很簡單，但我們在實驗室實施時遇到了困難。我們面臨的第一個問題是獲得所謂的穩態氫滲透流量。對於典型的電化學滲透率測量，我們必須以特定的電流密度給樣品充入氫氣。

唯一的問題是多少錢？從我們在文獻中看到的情況來看，我們首先嘗試在鹼性電解液中使用惡劣的充電條件，但無法達到這種穩定狀態。流量達到最大值然後開始下降，表現出非典型行為。

嘗試重複測量是徒勞的，但我們注意到並且真正讓我們困惑的是測量後鋼表面充滿氫氣的一側出現了一些可見的顏色變化。

因此，我們立即使用掃描檢查表面 電子顯微鏡 （SEM）實際觀察整個樣品的裂紋層和隨機分佈的顆粒。當通過能量色散 X 射線光譜 (EDS) 分析時，這些顆粒顯示出與氧一致的峰，使我們相信它們是氧化鐵，並促使我們使用額外的表徵技術來進一步識別它們。

我們使用拉曼光譜來識別由磁鐵礦（Fe₃關於₄）、赤鐵礦（Fe₂關於₃）和纖鐵礦（γ-FeOOH）。我們使用 X 射線光電子能譜 (XPS) 深度分析進一步計算出氧化物厚度約為 50 nm。

我們還可以使用聚焦離子束 (FIB) 銑削和 SEM 橫截面成像來證實這一點。但在充氫過程中鐵氧化物的形成確實是出乎意料的，因為我們使用的電化學條件通常不支持鐵的腐蝕。

因此，我們提出了一個假設：在氫化過程中，會形成氫氣泡，附著在鋼的表面。因此，施加到鋼上的極化電勢實際上並未在表面上實現，因為會發生持續且過量的氫氣泡形成。

根據普貝圖，結果是氣泡的阻力下降，再加上析氫導致的 pH 值升高，可能導致鐵腐蝕。

這導致氧化鐵的形成，我們在獨立的電化學充氫實驗中使用 XPS 測量厚度並使用 SEM 觀察表面顆粒也證實了這一點。

這項研究的結果發表在 腐蝕科學。

但人們可能想知道氧化鐵的形成如何解釋氫滲透通量的非典型行為。我們假設這些氫氣泡長大到臨界尺寸後會脫離表面，從而暴露出下面的氧化鐵。

然後，氧化物立即被施加的電化學勢還原，這進一步導致新鮮催化鐵的形成，從而增加氫活性並促進氫通量增加。

另一方面，氧化鐵的形成也可以阻止氫滲透，這可以解釋氫滲透通量達到最大值後的下降。

在發現強充電會導致氫滲透過程中鐵腐蝕和表面效應後，我們使用電化學阻抗譜進一步證明了氫充電過程中氧化鐵的生長。

通過測量氧化物相應的較高電荷轉移電阻，我們確實表明它會影響氫滲透行為。我們還使用電子背散射衍射 (EBSD) 來表明，這種強充電會導致新位錯的形成，從而在氫擴散常數的測量中引入偽影。

所有這一切意味著我們必須制定一種策略來避免重度充電，因此我們提出了“軟”充電的想法，即我們使用低得多的氫充電電流密度來測量氫滲透率。

想像一下，這個想法成功了！

我們可以測量不隨時間減少的穩態氫滲透通量。我們可以清楚地將這一觀察結果與數量的顯著減少聯繫起來 氧化鐵 使用 SEM 在表面可見，使用 EBSD 引入的位錯量幾乎可以忽略不計。

因此，我們建議使用“軟”氫化來可靠地測量鋼中的氫擴散常數。

本質上，我們報告了在電化學滲透率測量中充氫期間鐵腐蝕的令人驚訝的觀察結果，並提出了避免這種現象的方法，以可靠地測量鋼中的氫擴散常數。我們相信這對於該領域的研究人員非常有用 氫-材料相互作用、電化學和腐蝕。

這個故事是一部分 科學 X 對話框研究人員可以在這里報告他們發表的研究文章的結果。 訪問此頁面 了解有關 Science X Dialog 以及如何參與的信息。

Vijayshankar Dandapani 是印度理工學院 (IIT) 孟買分校冶金工程和材料科學系的助理教授，負責接口實驗室的電化學系。他的研究領域包括氫、電化學和腐蝕。