Đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 bằng phương pháp đo phổ tổng trở

Chia sẻ: Tưởng Trì Hoài | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:5

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Trong bài viết "Đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 bằng phương pháp đo phổ tổng trở" sự tổ hợp của hạt TiO2 vào lớp mạ Ni đã làm thay đổi cơ chế ăn mòn qua bề mặt lớp mạ, cũng như làm tăng khả năng chống ăn mòn của lớp mạ do tác dụng làm bề mặt vật lý cản trở sự tiếp xúc của tác nhân gây ăn mòn và khả năng làm tăng tính kỵ nước của lớp mạ, ngăn sự tạo thành môi trường ẩm trên bề mặt lớp mạ. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 bằng phương pháp đo phổ tổng trở

HỘI NGHỊ TOÀN QUỐC KHOA HỌC TRÁI ĐẤT VÀ TÀI NGUYÊN VỚI PHÁT TRIỂN BỀN VỮNG (ERSD 2022) Đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 bằng phương pháp đo phổ tổng trở Lê Thị Phương Thảo*, Nguyễn Thị Kim Thoa Trường Đại học Mỏ - Địa chất TÓM TẮT Lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 đã được tổng hợp thành công bằng phương pháp mạ điện hoá. Kết quả đo phổ tổng trở điện hoá (EIS) đã cho thấy, với chế độ mạ phù hợp, lớp mạ tổ hợp tạo thành có khả năng bảo vệ lớp kim loại nền chống lại sự ăn mòn cao hơn so với lớp mạ niken nguyên chất. Hơn thế nữa, phổ EIS cũng cho thấy rõ được cơ chế cũng như sự thay đổi của cơ chế ăn mòn điện hoá lớp mạ khi có sự tham gia của hạt tổ hợp TiO2 vào lớp mạ niken. Từ khóa: Mạ tổ hợp, Ni-TiO2, tổng trở 1. Đặt vấn đề Lớp mạ tổ hợp điện hóa được tạo thành khi đồng kết tủa các hạt rắn rất nhỏ của một hay vài chất cùng với kim loại mạ. Lớp mạ tổ hợp tích hợp được các tính chất của hạt tổ hợp nên cải thiện một số đặc tính của lớp mạ đơn. Trong số các lớp mạ tổ hợp được nghiên cứu thì lớp mạ tổ hợp trên cơ sở niken được quan tâm rất nhiều, do bản thân lớp mạ niken kim loại đã có sẵn cơ tính tốt và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, như hóa học, điện tử, … (Challakere Ramadas Raghavendra, 2018). Các hạt tổ hợp thường được sử dụng là các oxit (SiO2, Al2O3, TiO2,...), hợp chất cacbua (SiC, WC...), hoặc hạt cacbon (than chì, CNTs)... (Challakere Ramadas Raghavendra, 2018). Đây là các hạt rắn trơ, có độ cứng, độ bền cao nên sẽ làm tăng cơ tính (S.Pinate, 2021) cũng như độ bền mài mòn (Challakere Ramadas Raghavendra, 2018), bền ăn mòn cho lớp mạ (Somayeh Ahmadiyeh, 2021). Kỹ thuật đo đường cong phân cực anôt của các lớp mạ trong dung dịch NaCl 3,5% thường được sử dụng để đánh giá khả năng chống ăn mòn của lớp mạ. Từ kết quả đo đường cong phân cực này sẽ xác định được giá trị dòng ăn mòn và tốc độ ăn mòn. Phổ tổng trở điện hóa (Electrochemical Impedance Spectroscopy) được kết hợp sử dụng để đánh giá tổng trở màng. Không chỉ vậy, qua hình ảnh phổ tổng trở dạng Nyquist sẽ xác định được cơ chế của quá trình ăn mòn và dựa vào mạch tương đương sẽ xác định được các giá trị để đánh giá định lượng khả năng chống ăn mòn của các lớp mạ (Zahner Meβsystem, 2007). 2. Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu Lớp mạ Ni và lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 được tạo thành trên nền đồng bằng phương pháp mạ điện hóa bằng dòng một chiều từ dung dịch mạ niken clorua có thành phần: NiCl2 1M, H3BO3 0,5 M, natri lauryl sunphat 0,1 g/L. Hạt TiO2 sử dụng cho quá trình mạ ở dạng anatas với kích thước 8 - 10 nm. Chế độ mạ đã được khảo sát và lựa chọn để tạo ra lớp mạ tổ hợp có hàm lượng hạt TiO2 trên lớp mạ cao nhất (10,53%) là: tốc độ khuấy 600 vòng/phút, mật độ dòng catôt 3A/dm2, thời gian mạ 20 phút, nồng độ TiO2 trong dung dịch mạ 6 g/L (Le Thi Phuong Thao, 2013). Đặc tính quá trình ăn mòn điện hóa lớp mạ được xác định bằng phương pháp đo phổ tổng trở điện hóa EIS và đo đường cong phân cực anôt của các lớp mạ trong dung dịch NaCl 3,5%. Phổ EIS được đo trên thiết bị IM6 (Zahner - Elektrik, Đức) tại Viện Hóa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam với hệ 3 điện cực: điện cực làm việc là điện cực đồng đã mạ niken có diện tích 0,2826 cm2; điện cực đối là điện cực Pt xoắn; điện cực so sánh là điện cực calomen; khảo sát từ 100 kHz đến 10 mHz; đo tại thế mạch hở. 3. Kết quả và thảo luận Lớp mạ Ni và lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 tạo thành ở điều kiện lựa chọn là các lớp mạ có bề mặt đồng đều nhưng không mịn, trong đó lớp mạ tổ hợp có độ nhám cao hơn so với lớp mạ Ni nguyên chất (hình 1). Do vậy, các lớp mạ này là các lớp mạ kỵ nước. Tính kỵ nước của lớp mạ tổ hợp lớn hơn so với lớp mạ Ni nguyên chất và tăng theo hàm lượng TiO2 trên lớp mạ. * Tác giả liên hệ Email: lethiphuongthao@humg.edu.vn 1274
(a) (b) Hình 1. Ảnh SEM bề mặt lớp mạ Ni (a) và Ni-TiO2 (b) mạ ở 3 A/dm2, 20 phút với cùng độ phóng đại 10.000 lần (góc tiếp xúc của giọt nước trên các lớp mạ này tương ứng là 125,7o và 164,7o) Kết quả đo dòng ăn mòn cho thấy, lớp mạ tổ hợp có độ bền ăn mòn cao hơn so với lớp mạ đơn chất, khả năng chống ăn mòn tăng theo hàm lượng hạt TiO2 trên lớp mạ, tương ứng với sự giảm các giá trị dòng ăn mòn và tốc độ ăn mòn của các lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 so với lớp mạ Ni đơn chất. Kết quả đo dòng ăn mòn các mẫu mạ niken trong dung dịch NaCl 3,5% với điện cực so sánh Ag/AgCl % Eăm iăm văm Lớp mạ TiO2 (V) (A/cm2) (mm/năm) 0 Ni -0,089 2,10.10-6 6,71.10-3 Ni- 6,22 -0,054 3,41.10-7 1,09.10-3 TiO2 Ni- 10,53 0,067 2,23.10-7 1,13.10-4 TiO2 0 -2 -4 lg i, A -6 -8 Ni-TiO2 10,53% Ni-TiO2 6,22% -10 Ni -0.3 -0.2 -0.1 0.0 0.1 0.2 0.3 E, V/Ag/AgCl Hình ảnh phổ tổng trở dạng Nyquist cho thấy cơ chế ăn mòn qua bề mặt lớp mạ kim loại Ni và lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 là khác nhau, và do đó mạch điện tương đương tương ứng với 2 quá trình này (hình 2) cũng khác nhau. Kết quả fitting mạch điện (hình 3) với sơ đồ tương đương (hình 2) cho thấy sơ đồ mạch điện tương đương đưa ra phù hợp với các quá trình xảy ra trong hệ. Hình 2. Mạch điện tương đương tương ứng với phổ tổng trở của các mẫu mạ niken (Rm,hp: điện trở hấp phụ của màng; Rctm: điện trở chuyển điện tích của màng) 1275
Với lớp mạ Ni nguyên chất, quá trình ăn mòn xảy ra trong dung dịch muối ăn NaCl được mô phỏng như sơ đồ mạch điện hình 2a. Ở đây có 2 quá trình diễn ra đồng thời: sự hình thành lớp điện kép giữa lớp mạ và dung dịch muối ăn; quá trình chuyển điện tích và tiếp đến là sự hình thành lớp kép ở bề mặt lớp mạ do sự ăn mòn gây ra. Giá trị điện dung của CPE rất nhỏ (thành phần số 2) chứng tỏ lớp mạ có dung kháng lớn, đồng thời giá trị điện trở màng rất lớn (15,4 MΩ) (bảng 1) cho thấy lớp mạ niken này có khả năng chống ăn mòn tốt. Với các lớp mạ tổ hợp, quá trình ăn mòn xảy ra theo cơ chế khác và được mô tả bởi sơ đồ tương đương hình 2b: hình thành lớp điện kép giữa bề mặt mẫu và dung dịch muối ăn như mẫu D1, tuy nhiên, cùng với quá trình chuyển điện tích qua lớp kép này có sự khuếch tán của các phần tử qua lớp kép. Sự khuếch tán xảy ra là do lớp mạ tổ hợp có độ gồ ghề của bề mặt lớn hơn so với lớp mạ kim loại nguyên chất và do sự có mặt của các hạt TiO2 trong lớp mạ. Ni - mô phỏng Ni - mô phỏng Ni - đo Ni - đo Ni-TiO2 - mô phỏng Ni-TiO2 - mô phỏng Ni-TiO2 - đo Ni-TiO2 - đo Hình 3. Hình ảnh fitting phổ tổng trở các mẫu mạ niken Bảng 1. Các thông số động học của lớp mạ Ni Lớp mạ Rdd (Ω) CPE n Rm,hp Rctm (Ω) CPE n Rct (MΩ) (nF) (MΩ) (nF) Ni 12,53 253,1 0,9868 15,4 101,2 55,15 0,6980 6,954 Bảng 2. Các thông số động học của các lớp mạ tổ hợp Ni-nano TiO2 D W (cm2.s-1) Lớp mạ % TiO2 Rdd (Ω) Clk (nF) Rct (Ω) Clk (nF) (kΩ.s-1/2) Ni-TiO2 6,22 15,96 147,00 660,8 38,79 697,5 2,3.10-25 Ni-TiO2 10,53 17,65 69,27 3.363,0 12,28 4.932,0 4,5.10-27 Khi hàm lượng TiO2 trong lớp mạ tổ hợp tăng, giá trị của điện trở màng tăng, hay khả năng chống ăn mòn của lớp mạ tăng (bảng 2). Khả năng này được thể hiện rõ ràng hơn qua giá trị hệ số khuếch tán của lớp mạ được tính theo công thức (Zahner Meβsystem, 2007): 2 R 2T 2 D 4 4 2 2 2 z F ACW R – hằng số khí lý tưởng; R = 8,314 J/mol.K; T – nhiệt độ Kelvin; nhiệt độ phòng T = 298K; F – hằng số Faraday; F = 96.500 C/mol = 26,8 Ah/mol; z – điện tích trao đổi; với niken, z = 2; A – thiết diện bề mặt điện cực; A = 0,2826 cm2; W – Hằng số Warburg; 1W = Ω.s-1/2; C – nồng độ; đối với điện cực là vật liệu rắn thì C = 1 mol/L; Do: 1J = 1 m2.kg.s-2 = 104 cm2.kg.s-2; 1Ah.mol-1 = 3600 A.s.mol-1; 1Ω = 1 kg.m2.s-3.A-2 1276
nên: cm 2 .kg.s 2 2 2[8,314.104 ] (298K ) 2 D mol.K A.s 4 mol 2 4 (26,8.3600 ) (0,2826cm 2 ) 2 (1 3 ) 2 W 2 (104.cm 2 .kg.s 3 . A2 .s 1/ 2 ) 2 mol cm 1,1088.1013 D (cm 2 .s 1 ) W2 Kết quả tính toán cho thấy hệ số khuếch tán của các lớp mạ niken là rất nhỏ (bảng 2), chứng tỏ sự khuếch tán của các tác nhân ăn mòn qua lớp mạ là rất khó khăn. Do vậy, lớp mạ tổ hợp có khả năng chống ăn mòn cao và tăng theo hàm lượng TiO2 trong lớp mạ. Hình ảnh phổ tổng trở dạng Bode các lớp mạ niken (hình 4) cho thấy các lớp mạ tổ hợp có tổng trở lớn hơn, hay khả năng bảo vệ cao hơn so với lớp mạ niken nguyên chất. Kết quả này phù hợp với các kết quả đã được công bố (J. Li, 2005; P. Baghery, 2010) và được giải thích với giả thuyết: hạt vật chất trơ TiO2 có khả năng chống ăn mòn cao khi tham gia vào tổ chức lớp mạ sẽ đóng vai trò như là rào cản vật lý, làm giảm diện tích bề mặt lớp mạ tiếp xúc với tác nhân gây ăn mòn dẫn đến làm giảm tốc độ ăn mòn. Hơn nữa, trong nghiên cứu này, các hạt nano TiO2 khi tổ hợp vào lớp mạ niken đã làm thay đổi hình thái học bề mặt, làm tăng tính kỵ nước cho lớp mạ dẫn đến làm giảm khả năng ngưng ẩm, khả năng tạo môi trường điện ly ở bề mặt lớp mạ nên giảm khả năng bị ăn mòn của lớp mạ. Ni Ni-TiO2 6,22% Ni-TiO2 10,53% Hình 4. Phổ tổng trở (dạng Bode) mẫu mạ niken và các mẫu mạ tổ hợp Ni-TiO2 với hàm lượng TiO2 trên lớp mạ khác nhau 4. Kết luận Thông qua phổ tổng trở điện hóa, cơ chế ăn mòn qua bề mặt lớp mạ kim loại Ni và lớp mạ tổ hợp Ni- TiO2 đã được xác định. Kết quả nghiên cứu cho thấy, cả lớp mạ Ni và lớp mạ tổ hợp Ni-TiO2 đều có khả năng bảo vệ lớp kim loại nền chống lại sự ăn mòn điện hóa cao. Tuy nhiên, sự tổ hợp của hạt TiO2 vào lớp mạ Ni đã làm thay đổi cơ chế ăn mòn qua bề mặt lớp mạ, cũng như làm tăng khả năng chống ăn mòn của lớp mạ do tác dụng làm bề mặt vật lý cản trở sự tiếp xúc của tác nhân gây ăn mòn và khả năng làm tăng tính kỵ nước của lớp mạ, ngăn sự tạo thành môi trường ẩm trên bề mặt lớp mạ. Tài liệu tham khảo Challakere Ramadas Raghavendra, Satyappa Basavarajappa & Irappa Sogalad, 2018. Electrodeposition of Ni-nano composite coatings: a review. Inorganic and Nano-Metal Chemistry, 48(12): 583-598. J. Li, Y. Sun, X. Sun, J. Qiao, 2005. Mechanical and corrosion-resistance performance of electrodeposited titania–nickel nanocomposite coatings. Surface & Coatings Technology, 192: 331– 335. Le Thi Phuong Thao, Nguyen Duc Hung, Nguyen Duy Ket, 2013. Effect of parameters on the electrodeposition of Ni-TiO2 nanocomposite coatings, Vietnam Journal of Chemistry, 51(5): 567-570. P. Baghery, M. Farzam, A.B. Mousavi, M. Hosseini, 2010. Ni-TiO2 nanocomposite coating with high resistance to corrosion and wear. Surface & Coatings Technology, 204: 3804-3810. S. Pinate, A.Ispas, P.Leisner, C.Zanella, 2021. Electrocodeposition of Ni composites and surface treatment of SiC nano-particles. Surface and Coatings Technology, 406: 126663 (7 pages). Somayeh Ahmadiyeh, Ali Rasooli, Mir Ghasem Hosseini, A.H.S. Farhood, 2021. Superior corrosion and wear resistance of pulse plated Ni–W–B/SiC composite coatings. Materials Chemistry and Physics, 270 (15): 124761 (14 pages). Zahner Meβsystem, 2007. Thales Softwave Package for Electrochemical Workstations User Manual. Germany. 1277
ABSTRACT Evaluation of the corrosion resistance of the Ni-TiO2 composite coating by electrochemical impedance spectroscopy Le Thi Phuong Thao*, Nguyen Thi Kim Thoa Hanoi University of Mining and Geology Ni-TiO2 composite coating was successfully synthesized by electroplating method. The results of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) shown that, with the appropriate plating mode, the obtained composite coating was able to protect the base metal layer against corrosion better than pure nickel plating. Moreover, the EIS spectrum also clearly showed the mechanism as well as the change of the electrochemical corrosion mechanism of the plating when TiO 2 particles were involved in the nickel coating. Keywords: composite electroplating, Ni-TiO2, electrochemical impedance 1278