基本定義

Tafel極化法是一種能夠獲得體系相對應(yīng)的電化學(xué)信號的測試方法，即按照給定的階躍時間與階躍高度使用一個非常慢的掃描速度，在一個以開路電位為中心的，接近對稱的電勢范圍內(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)電流隨著電勢變化的腐蝕技術(shù)。

Tafel極化法測試的基本原理

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)掃描電勢小于自腐蝕電勢的時候（Tafel陰極部分），外加電勢對于測試工作電極來說是一個保護(hù)，這時候在工作電極上是富電子，會電解腐蝕環(huán)境（如果是鹽水，就是電解水反應(yīng)）。在當(dāng)掃描電勢大于自腐蝕電勢的時候（Tafel陽極部分），外加電勢對于測試工作電極來說是一個破壞，這時候在工作電極上是缺電子，會腐蝕工作電極（將金屬溶解）。因此Tafel測試對電化學(xué)體系來說，其破壞性是不可逆的，多次Tafel測試會顯著地降低工作電極的耐蝕性，導(dǎo)致后期測試出的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確甚至錯誤。^［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，常用來計算Tafel常數(shù)以及腐蝕速率。

在陽極極化中當(dāng)電勢開始慢慢向正方向變化的時候（相對自腐蝕電勢的差距變小，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)部對于電勢的響應(yīng)開始增加，能用于界面的電化學(xué)反應(yīng)的實際電勢變小，宏觀表現(xiàn)為電流就越小。

對于通常的金屬體系陽極極化變化過程如下：

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

b、超過自腐蝕電勢，電勢開始慢慢向負(fù)方向變化，這時候的工作電極開始溶出、氧化反應(yīng)，所以自腐蝕電勢越負(fù)，工作電極缺電子的情況越明顯，溶出就會加快，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候，電流就不再升高，這時候工作電子的缺電子情況會導(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)一步的升級氧化，也就是表面鈍化，形成一個較好的防腐蝕涂層。

d、當(dāng)鈍化達(dá)到一定地方的時候會導(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，但是電勢還是不停地遠(yuǎn)離自腐蝕電勢的方向開始變化，也就是電勢-自腐蝕電勢差變大，當(dāng)電勢差達(dá)到一定的大小之后，會擊穿半導(dǎo)體鈍化膜，工作電極直接面對腐蝕環(huán)境，又重新開始新的自腐蝕電勢的循環(huán)（從陰極半極開始）。

e、循環(huán)不斷地發(fā)生，會導(dǎo)致每次新的自腐蝕電勢對應(yīng)的最.低電流變大。這是因為腐蝕從表面開始進(jìn)入工作電極的內(nèi)部（晶間腐蝕）。

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

應(yīng)用范圍和特點

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

Tafel極化法的激勵信號

Tafel極化法的激勵信號圖

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，測量穩(wěn)態(tài)的伏安（E~i）數(shù)據(jù)，作logi~E圖，將陰、陽極極化曲線的直線部分延長，所得交點對應(yīng)的即為logi_corr，由腐蝕電流i_corr除以事先精確測量的樣品面積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：這一計算方法只適用于均勻腐蝕，當(dāng)產(chǎn)生局部腐蝕時，這一方法得到的結(jié)果會大大低估實際情況。

對于復(fù)雜合金發(fā)生均勻溶解時，當(dāng)量是每個合金成分當(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，可通過檢測腐蝕產(chǎn)物來計算當(dāng)量。

將電化學(xué)法測量得到的腐蝕電流通過簡單的換算得到失重法測量的金屬腐蝕速度。此時，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)測試方法可以參考標(biāo)準(zhǔn)ASTM G102。

Tafel極化法的實驗數(shù)據(jù)

1、Tafel極化法在研究銀絲腐蝕時的應(yīng)用

樣品前處理：準(zhǔn)備一個直徑為0.1cm 圓柱體的銀絲樣品，截取長度9cm，在測試前先使用丙酮對其超聲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

基本激勵信號參數(shù)：最初電位：-0.3V；最終電位：0.8V；階躍高度：0.1mV；階躍時間：0.1 s

DH7000 銀絲Tafel

2、Tafel極化法在研究黃銅腐蝕時的應(yīng)用

樣品前處理：準(zhǔn)備一個邊長為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試樣品焊接點可正常導(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

基本激勵信號參數(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，在測試前先使用三氧化二鋁粉對其進(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

基本激勵信號參數(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。腐蝕電勢的大小可以反映陽極發(fā)生腐蝕的難易程度，腐蝕電勢越大表明陽極越難被腐蝕^[5]。腐蝕電流密度的大小可以反映陽極發(fā)生腐蝕時的實際腐蝕速率，腐蝕電流密度越小表明陽極發(fā)生腐蝕行為時的腐蝕速率越低，陽極的耐腐蝕性越好 ^[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,2021,61(1):35-37.

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

［5］ 甘章華，熊梅，張思等. 錫對 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 AZ91 合金耐蝕性能的影響 [J]. 稀有金屬材料與工程，2014（2）：278-282.