T¹p chÝ Hãa häc, T. 45 (6A), Tr. 280 - 284, 2007<br />
<br />
<br />
NGHI£N CøU TÝNH CHÊT ¡N MßN CñA §åNG vµ vµng TRONG<br />
M¤I TR¦êNG AXIT Sö DôNG §IÖN CùC KÝCH TH¦íC NHá<br />
§Õn Tßa so¹n 15-11-2007<br />
Vò ThÞ Thu H , TrÇn Ngäc HuÊn, Lª Quèc Hïng v Ph¹m Hång Phong<br />
ViÖn Hãa häc, ViÖn Khoa häc v& C«ng nghÖ ViÖt Nam<br />
<br />
SUMMARY<br />
Recently, microelectrode was known as a working electrode used effectively to detect heavy<br />
metals in water environment. In this case, Differential Pulse Polarographic (DPP) technique with<br />
and without mercury thin film was usually employed. In addition, this paper presents alternative<br />
applications of microelectrodes for electrochemical and metal corrosion research. The cyclic<br />
voltammetric investigation was carried out by using homemade gold and copper microelectrodes<br />
in NaCl 10 mM + HClO4 0.1 M solution, where Dodecanethiol (DDeT) (HS-(CH2)11-CH3) and<br />
10-carboxy-1-decanethiolate (MUA) (HS-(CH2)10-COOH) were used as inhibitors. The<br />
advantages of microelectrode such as the negligible ohmic potential drop, small volume of<br />
measured cells due to very low current as well as rapid establishment of the steady state for a<br />
faradic process was also indicated.<br />
<br />
<br />
I - GIíI THIÖU v"ng th êng ® îc dïng nh mét anèt. ¡n mßn<br />
v"ng còng l" mét vÊn ®Ò quan träng trong c«ng<br />
HiÖn nay trªn thÕ giíi, h íng nghiªn cøu vÒ nghÖ ®iÖn tö v" chóng ® îc dïng trong viÖc øng<br />
khoa häc nano v" kü thuËt nano ng"y c"ng ® îc dông m"ng máng v" trong c«ng nghÖ m¹ch ®iÖn<br />
quan t©m bëi kh¶ n¨ng øng dông cña nh÷ng vËt tö tÝch hîp. §ång còng l" mét kim lo¹i rÊt phæ<br />
liÖu cã cÊu tróc kÝch th íc nanomet (vËt liÖu biÕn v" cã tÇm quan träng lín trong c«ng nghiÖp<br />
nano) trong rÊt nhiÒu lÜnh vùc nh vËt liÖu ®iÖn còng nh trong cuéc sèng h"ng ng"y v" kh¶<br />
tö, b¸n dÉn, chÕ t¹o c¸c thiÕt bÞ c¶m øng, thiÕt bÞ n¨ng bÒn v÷ng cña ®ång trong c¸c m«i tr êng<br />
quang, vËt liÖu x©y dùng, vËt liÖu xóc t¸c, sinh cã ®Æc tÝnh ¨n mßn l" kh«ng cao, v× vËy viÖc<br />
häc, y häc, b¶o vÖ ¨n mßn kim lo¹i khái ¨n mßn nghiªn cøu v" øng dông nh÷ng vËt liÖu cã kh¶<br />
v.v…. Trong nghiªn cøu n"y, vi ®iÖn cùc v"ng n¨ng øc chÕ ¨n mßn trªn ®ång mang mét ý<br />
® îc sö dông ®Ó kh¶o s¸t kh¶ n¨ng chèng ¨n nghÜa rÊt lín trong khoa häc còng nh nh÷ng<br />
mßn cña líp 1-dodecanethiol (DDeT) (HS- nghiªn cøu cã øng dông thùc tiÔn.<br />
(CH2)11-CH3), (Tokyo Kasei Kogyo, cã ®é tinh Trong nghiªn cøu ®iÖn hãa, viÖc sö dung vi<br />
khiÕt 98% ® îc pha trong ethanol tinh khiÕt ®iÖn cùc v" c¸c ®iÖn cùc cã kÝch th íc nhá sÏ<br />
®Õn nång ®é 5 mM). Nh ®W biÕt, v"ng l" kim l"m gi¶m sôt ®iÖn trë «m v" t¨ng ® îc tèc ®é<br />
lo¹i quý v" th êng Ýt bÞ ¨n mßn. Tuy nhiªn nã bÞ qu¸ tr×nh chuyÓn khèi [2]. TÝnh chÊt vËt lý, tÝnh<br />
ho" tan trong mét sè dung dÞch chøa c¸c hîp chÊt hãa häc hay ranh giíi pha cña c¸c ®iÖn cùc<br />
chÊt phøc d íi d¹ng ho" tan hãa häc v" ®iÖn cì nhá kh«ng kh¸c biÖt ®¸ng kÓ so víi c¸c tÝnh<br />
hãa nhÊt ®Þnh. C¸c t¸c nh©n n"y th êng l" Cl-, chÊt n"y trªn ®iÖn cùc cã kÝch th íc th«ng<br />
Br-, I-, CN-, v" CS(NH2)2 [1]. ViÖc ¨n mßn v"ng th êng [3], nh ng kÝch th íc nhá cña chóng<br />
th êng ® îc quan t©m trong c¸c ng"nh kh¸c l"m cho nhiÒu phÐp ®o ®iÖn hãa ® îc thùc hiÖn<br />
nhau nh y tÕ, c«ng nghiÖp m¹ kim lo¹i, ë ®©y thuËn tiÖn h¬n. Tuy nhiªn, ngo"i mèi quan t©m<br />
280<br />
®Õn c«ng nghÖ s¶n xuÊt cña chóng, th× nh÷ng tinh khiÕt 98% ® îc pha trong etanol tinh khiÕt<br />
nghiªn cøu vÒ tèc ®é ¨n mßn sö dông ®iÖn cùc ®Õn nång ®é 5 mM)<br />
kÝch th íc nhá cßn Ýt ® îc sö dông v" c«ng bè. Dung dÞch ®iÖn ly l" hçn hîp NaCl 10mM +<br />
Víi ®iÖn cùc lo¹i n"y, cã thÓ ®o ® îc gi¸ trÞ mËt HClO4 0,1 M cã kh¶ n¨ng ¨n mßn m¹nh.<br />
®é dßng rÊt cao ë mét dßng ®iÖn thÊp, khi ®iÖn<br />
cùc trÇn còng nh ® îc phñ mét líp b¶o vÖ kim §èi víi vËt liÖu ®ång kim lo¹i, ba lo¹i kÝch<br />
lo¹i. th íc ® îc kh¶o s¸t l" cã ® êng kÝnh 8 mm v"<br />
220, 470 µm.<br />
B"i b¸o n"y tr×nh b"y c¸c kÕt qu¶ ®o ¨n mßn<br />
ghi trªn vi ®iÖn cùc v"ng khi cã v" kh«ng cã<br />
chÊt øc chÕ còng nh mét sè so s¸nh khi kh¶o III - KÕT QU¶ V TH¶O LUËN<br />
s¸t tèc ®é ¨n mßn trªn ®ång kim lo¹i kÝch th íc<br />
nhá v" kÝch th íc th«ng th êng. Víi môc ®Ých kh¶o s¸t kh¶ n¨ng b¶o vÖ cña<br />
m"ng DDeT v" MUA trªn v"ng v" ®ång trong<br />
So víi ®iÖn cùc cã kÝch th íc th«ng th êng, ®iÒu kiÖn ¨n mßn, c¸c phÐp ®o ®iÖn hãa ® îc<br />
vi ®iÖn cùc thÓ hiÖn mét sè u ®iÓm nh dÔ ®¹t tiÕn h"nh trong m«i tr êng NaCl 10 mM +<br />
tr¹ng th¸i æn ®Þnh, thuËn lîi cho phÐp ®o h¬n. HClO4 0,1M khi kh«ng cã v" khi cã m"ng<br />
¦u ®iÓm c¬ b¶n cña nghiªn cøu ¨n mßn trªn DDeT v" MUA. §©y ® îc xem l" mét trong c¸c<br />
®iÖn cùc cã kÝch th íc nhá l" tr¹ng th¸i gi¶ æn m«i tr êng ¨n mßn Au v" Cu ®¸ng kÓ [4]. M"ng<br />
®Þnh ®¹t ® îc chØ sau mét kho¶ng thêi gian ® îc phñ trªn vi ®iÖn cùc v"ng v" ®ång b»ng<br />
ng¾n. C¸c t¸c gi¶ trong [4] chØ ra r»ng ë tr¹ng c¸ch nhóng ®iÖn cùc v"o trong dung dÞch 1-<br />
th¸i æn ®Þnh, mÆc dï cã sù chuyÓn khèi gi÷a c¸c dodecanethiol (DDeT) 5 mM v" dung dÞch 10-<br />
vïng kh¸c nhau trong hÖ, tÝnh chÊt cña chóng cacboxy-1-decanethiolat trong dung m«i ethanol<br />
vÉn kh«ng thay ®æi. tinh khiÕt. §ång thêi ¶nh h ëng cña thêi gian<br />
t¹o m"ng ®Õn tÝn hiÖu dßng còng ® îc kh¶o s¸t.<br />
II - THùC NGHIÖM KÕt qu¶ ®o CV víi ®iÖn cùc Au ® îc thÓ<br />
hiÖn trªn h×nh 1.<br />
ViÖc kh¶o s¸t ® îc thùc hiÖn trªn m¸y ®iÖn<br />
hãa ®a n¨ng, cã kh¶ n¨ng ®o dßng ®Õn v"i nA Tõ h×nh 1 cã thÓ thÊy r»ng, khi quÐt CV cña<br />
víi ®é ph©n gi¶i lín. Do dßng ¨n mßn trªn vi vi ®iÖn cùc v"ng trong dung dÞch ®iÖn ly tõ 0,2<br />
®iÖn cùc l" rÊt nhá, nªn c¸c thiÕt bÞ cÇn cã kh¶ ®Õn 1,3 V, ® êng nÒn cã xuÊt hiÖn c¸c pic t¹i<br />
n¨ng l"m viÖc ë ® îc dßng cì nA, khuÕch ®¹i thÕ gÇn +1,2 V, t ¬ng øng víi qu¸ tr×nh ho" tan<br />
tÝn hiÖu m" vÉn loai bá ® îc nhiÔu sinh ra trong cña v"ng, tuy dßng ®o ® îc l" rÊt nhá, cùc ®¹i<br />
qu¸ tr×nh ®o. HÖ ba ®iÖn cùc, víi ®iÖn cùc so chØ gÇn 400 nA. Khi phñ m"ng DDeT, ®èi víi<br />
s¸nh Ag/AgCl, ®iÖn cùc ®èi Pt v" ®iÖn cùc l"m m"ng ® îc t¹o sau 25 phót, dßng ®o ® îc gi¶m<br />
viÖc l" c¸c lo¹i vËt liÖu kh¸c nhau víi c¸c kÝch ®i rÊt nhiÒu, chØ cßn tèi ®a l" 50 nA trong vïng<br />
th íc kh¸c nhau: quÐt thÕ v" hÇu nh kh«ng thay ®æi cho ®Õn tËn<br />
chu kú quÐt thø 10 (h×nh 1 - B3) trong khi ®ã<br />
- Vi ®iÖn cùc v"ng 38 µm, khi cã v" kh«ng sau thêi gian t¹o m"ng l" 5 v" 10 phót, t¹i chu<br />
cã chÊt øc chÕ kú quÐt ®Çu tiªn, dßng rÊt nhá nh ng t¨ng dÇn<br />
- §iÖn cùc ®ång kim lo¹i ® êng kÝnh 8 mm theo c¸c chu kú tiÕp theo. §iÒu ®ã cho thÊy kh¶<br />
v" 220 µm n¨ng t¹o líp m"ng víi thêi gian ng©m 25 phót l"<br />
C¸c chÊt øc chÕ sö dông trong qu¸ tr×nh bÒn v÷ng h¬n c¶ v" kh¶ n¨ng b¶o vÖ chèng ¨n<br />
nghiªn cøu trªn ®iÖn cùc v"ng gåm: mßn trong dung dÞch còng cao h¬n. NhiÒu<br />
nghiªn cøu kh¸c trªn thÕ giíi cßn tËp trung<br />
1. Dodecanethiol (DDeT) (HS-(CH2)11-CH3), nghiªn cøu ¶nh h ëng cña ®é d"i m¹ch v" nhãm<br />
(Tokyo Kasei Kogyo, cã ®é tinh khiÕt 98% chøc cuèi m¹ch [4] ®Õn kh¶ n¨ng b¶o vÖ ¨n<br />
® îc pha trong etanol tinh khiÕt ®Õn nång ®é 5 mßn. Trong khu«n khæ nghiªn cøu n"y, mét hîp<br />
mM) chÊt t¹o m"ng kh¸c ® îc sö dông trªn vÞ ®iÖn<br />
2. 10-carboxy-1-decanethiolat (MUA) (HS- cùc v"ng l" 10-cacboxy-1-decanethiolat (MUA)<br />
(CH2)10-COOH), (Tokyo Kasei Kogyo, cã ®é (HS-(CH2)10-COOH). Tõ c¸c kÕt qu¶ thùc<br />
281<br />
nghiÖm thu ® îc, sau 10 chu kú quÐt, ® êng kh¸c trªn thÕ giíi [4], chøng tá DDeT cã kh¶<br />
quÐt CV cña v"ng sÏ trë l¹i nh khi ch a phñ n¨ng b¶o vÖ ¨n mßn tèt h¬n so víi MUA, do<br />
MUA. Bªn c¹nh ®ã víi tÝn hiÖu dßng thu ® îc tÝnh ho¹t ®éng cña nhãm chøc cuèi m¹ch.<br />
khi phñ MUA cã gi¸ trÞ lín h¬n so víi khi phñ C¸c kÕt qu¶ thùc nghiÖm thu ® îc trªn ®iÖn<br />
DDeT, cho thÊy kh¶ n¨ng chèng ¨n mßn trªn cùc ®ång còng cho nh÷ng kÕt qu¶ mang tÝnh<br />
v"ng cña DDeT l" tèt h¬n so víi MUA. KÕt qu¶ chÊt t ¬ng tù.<br />
n"y t ¬ng tù víi nh cña c¸c nhãm nghiªn cøu<br />
<br />
0.5<br />
<br />
0.4<br />
<br />
0.3<br />
(1)<br />
0.2<br />
i(uA)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.1<br />
<br />
0<br />
(2)<br />
-0.1<br />
<br />
<br />
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2<br />
U(V)<br />
B1<br />
A1: (1): nÒn ; (2): sau 5’ t¹o m"ng DDeT<br />
0.5<br />
<br />
0.4<br />
<br />
0.3<br />
(1)<br />
<br />
0.2<br />
i(uA)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.1<br />
<br />
0<br />
(2)<br />
-0.1<br />
<br />
<br />
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2<br />
U(V)<br />
B2<br />
A2: (1): nÒn ; (2): sau 15’ t¹o m"ng DDeT<br />
0.5<br />
<br />
0.4<br />
<br />
0.3 (1)<br />
0.2<br />
i(uA)<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
0.1<br />
<br />
0<br />
(2)<br />
-0.1<br />
<br />
<br />
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 1.1 1.2<br />
U(V)<br />
B3<br />
A3: (1): nÒn ; (2): sau 25’ t¹o m"ng DDeT<br />
H×nh 1: § êng CV cña vi ®iÖn cùc v"ng trong NaCl 10mM + HClO4 0,1 M, thÕ ® îc quÐt tõ +0,2 -<br />
+1,3V, tèc ®é quÐt thÕ 50mV/s; A1, A2, A3: sau 5, 10 v" 25 phót t¹o m"ng t ¬ng øng; B1, B2, B3:<br />
Chu kú thø 1,5 v" 10 sau 5, 10 v" 25 phót t¹o m"ng t ¬ng øng<br />
<br />
282<br />
a b c<br />
H×nh 2: § êng CV cña ®iÖn cùc Cu trong m«i tr êng NaCl 10 mM + HClO4 0,1 M.<br />
Thêi gian ng©m DDeT 5 mmol 0, 15, 30 phót. § êng kÝnh, a: 8 mm, b: 470 µm, c: 220 µm<br />
<br />
H×nh 2, 3 v" 4 cho thÊy sù kh¸c nhau khi sö thÊy ® îc khi sö dông vi ®iªn cùc trong nh÷ng<br />
dông ®iÖn cùc kÝch thuíc lín so víi ®iÖn cùc cã nghiªn cøu ®iÖn hãa.<br />
kÝch cì micromet (vi ®iÖn cùc). Khi sö dông Nh÷ng thö nghiÖm t ¬ng tù víi ®ång khi sö<br />
®iÖn cùc nhá ( = 470 µm) tÝn hiÖu thu ® îc thÓ dông chÊt øc chÕ MUA còng ® îc tiÕn h"nh.<br />
hiÖn qu¸ tr×nh oxi hãa - khö x¶y ra trªn bÒ mÆt KÕt qu¶ kh¶o s¸t ® îc tr×nh b"y trªn h×nh 3 v" 6<br />
®iÖn cùc râ r"ng h¬n so víi ®iÖn cùc cã kÝch t ¬ng øng. C¸c kÕt qu¶ thu ® îc ho"n to"n hîp<br />
th íc th«ng th êng ( = 8 mm). Khi sö dông lý khi gi¸ trÞ dßng ®o trªn ®iÖn cùc Cu 470 µm<br />
®iÖn cùc th«ng th êng, gi¸ trÞ dßng cì mA, cßn lín gÊp kho¶ng hai lÇn so víi ®iÖn cùc Cu 220<br />
khi sö dông ®iÖn cùc Cu 470 µm, dßng thu ® îc µm. Sö dông kü thuËt quÐt thÕ tuÇn ho"n, còng<br />
cã gi¸ trÞ nA, ®Æc biÖt, víi ®iÖn cùc 220 µm, cã thÓ kh¶o s¸t ® îc ®é bÒn cña m"ng MUA<br />
dßng ®o ® îc ®¹t ®Õn 2 nA. §iÒu n"y cho thÊy b¸m trªn ®iÖn cùc (h×nh 4). Nh vËy, sau<br />
víi viÖc sö dông ®iÖn cùc kÝch th íc nhá, ta cã kho¶ng 15 chu kú quÐt, dßng pic hÇu nh t ¬ng<br />
thÓ kh¶o s¸t trong nh÷ng m«i tr êng chÊt ®iÖn ® ¬ng víi dßng ®o ® îc trªn ®iÖn cùc trÇn (Cu<br />
ly kÐm hay kh¶ n¨ng dÉn ®iÖn kh«ng cao, §©y 220 µm-MUA), m"ng khi ®ã ®W ho"n to"n bÞ<br />
chÝnh l" mét trong nh÷ng u ®iÓm cã thÓ nhËn ph¸ vì.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
a b<br />
H×nh 3: § êng CV cña ®iÖn cùc Cu trong m«i tr êng NaCl 10 mM H×nh 4: QuÐt CV kh¶o s¸t ®é<br />
+ HClO4 0,1M . Thêi gian ng©m MUA l" 0,15,30 phót víi c¸c bÒn m"ng MUA trªn Cu<br />
® êng kÝnh a:470µm, b: 220µm ® êng kÝnh 220 µm trong m«i<br />
tr êng NaCl 10 mM + HClO4<br />
0,1 M<br />
283<br />
Khi ch a cã t¹o líp m"ng DdeT v" MUA IV - KÕT LUËN<br />
trªn bÒ mÆt ®iÖn cùc, qu¸ tr×nh oxi hãa – khö<br />
x¶y ra rÊt râ r"ng, v" kh¶ n¨ng bÞ ¨n mßn cña C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu cho thÊy:<br />
vËt liÖu trong m«i tr êng rÊt cao. Víi thêi gian - C¸c vi ®iÖn cùc tù chÕ t¹o cã kh¶ n¨ng l"m<br />
t¹o m"ng trong c¸c dung dÞch DdeT v" MUA l" viÖc ®Ó ph¸t hiÖn, nghiªn cøu ¨n mßn kim lo¹i<br />
15 phót v" 30 phót. § êng quÐt CV cña vi ®iÖn trong m«i tr êng n íc mét c¸ch trùc tiÕp.<br />
cùc ®ång còng cho thÊy kh¶ n¨ng b¶o vÖ ¨n - C¸c vi ®iÖn cùc thÓ hiÖn u ®iÓm v ît tréi<br />
mßn cña líp m"ng ® îc t¹o ra l" rÊt cao. T ¬ng l" cã thÓ ®o ® îc mËt ®é dßng rÊt lín ë mét gi¸<br />
tù nh khi kh¶o s¸t qu¸ tr×nh ¨n mßn x¶y ra trªn trÞ dßng nhá. HÖ nhanh chãng ®¹t æn ®inh trong<br />
®iÖn cùc v"ng, cã thÓ thÊy r»ng, khi líp m"ng qu¸ tr×nh ®o. ThÓ tÝch mÉu cÇn thiÕt cho mçi<br />
® îc t¹o víi thêi gian ng©m l" 30 phót, qu¸ phÐp ®o rÊt nhá (1 - 3 ml), l"m gi¶m chi phÝ hãa<br />
tr×nh ¨n mßn x¶y ra trªn bÒ mÆt ®iÖn cùc ®ång chÊt v" gi¶m chÊt th¶i ®éc h¹i cho m«i tr êng.<br />
gi¶m ®i rÊt nhiÒu, khi ch a cã m"ng, dßng ¨n<br />
mßn cã gi¸ trÞ v"o kho¶ng 30 nA, nh ng khi cã T i liÖu tham kh¶o<br />
líp m"ng, dßng ¨n mßn gi¶m xuèng chØ cßn 1. Francis P. Zamborini and Richard M.<br />
kho¶ng ±2 nA. Crooks. Corrosion Passivation of Gold by n-<br />
Trong thÝ nghiÖm n"y, nång ®é cña chÊt ë Alkanethiol Self-Assembled Monolayers:<br />
tr¹ng th¸i æn ®Þnh t¹i vïng l©n cËn cña ®iÖn cùc Effectof Chain Length and End Group,<br />
nhá ®¹t ® îc sau 1-2 phót trong khi trªn ®iÖn Langmir, 14, 3279 - 3286 (1998).<br />
cùc kÝch th íc th«ng th êng, thêi gian cÇn thiÕt<br />
2. C. M. A. Brett, A. M. O. Brett.<br />
l" trªn 5 phót. D.S. Azanbjuza, v" céng sù [5]<br />
Electrochemistry Principles, Methods and<br />
® a ra lý thuyÕt ®Ó ph©n lo¹i c¸c ph¶n øng ¨n Applications, Oxford University Press.<br />
mßn t ¬ng øng víi b¶n chÊt cña b íc x¸c ®Þnh Oxford, P. 92 (1993).<br />
ph¶n øng v" vÞ trÝ cña chóng trong c¬ chÕ ph¶n<br />
øng. Khi ®ã ph¶n øng oxi hãa kim lo¹i trong ®ã 3. A. M. Bond. Analyis, 119, R1 (1994).<br />
c¸c anion t ¬ng t¸c víi bÒ mÆt kim lo¹i t¹o 4. K. Aoki. Theory of Ultramicroelectrodes.<br />
th"nh mét líp s¶n phÈm kh«ng tan che phñ bÒ Eelectroanalysis, 5, 627 - 639 (1993).<br />
mÆt kim lo¹i, ng¨n c¶n sù tiÕp xóc tiÕp theo cña 5. D. S. Azanbjuza, C. M. S. Piatnicki, I. L.<br />
kim lo¹i víi chÊt ®iÖn ly, tèc ®é ¨n mßn ® îc Muller and L. R. Hotzie. Investigation of<br />
quyÕt ®Þnh bëi tèc ®é khuÕch t¸n tíi h¹n cña c¸c the Corrosion Behaviour of Iron in Neutral<br />
chÊt ph¶n øng tõ dung dÞch dung dÞch, líp s¶n Media by using Microelectrode. Materials<br />
phÈm hay trong c¶ hai qu¸ tr×nh h×nh th"nh v" Science Forum, Vols. 289 - 292, P. 203 -<br />
hßa tan líp s¶n phÈm ¨n mßn. 212 (1998).<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
284<br />