Научная статья на тему 'Катодное выделение водорода на поверхности нанокомпозитных слоев, полученных лазерным спеканием порошков железо-никель'

Катодное выделение водорода на поверхности нанокомпозитных слоев, полученных лазерным спеканием порошков железо-никель Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

CC BY
129
10
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛАЗЕРНОЕ СПЕКАНИЕ / КОМПОЗИТНЫЕ СЛОИ / СИСТЕМА ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЬ / КАТОДНОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА / LASER SINTERING / COMPOSITE LAYERS / BINARY SYSTEM FE-NI / CATHODIC EMISSION OF HYDROGEN

Аннотация научной статьи по нанотехнологиям, автор научной работы — Решетников Сергей Максимович, Харанжевский Евгений Викторович, Кривилёв Михаил Дмитриевич

Методом снятия катодных потенциодинамических кривых в 0.1М водном растворе NaOH изучено катодное поведение композитных слоев, полученных высокоскоростным лазерным спеканием ультрадисперсных порошков Fe-Ni. Показано, что такие слои, образованные на поверхности стальной подложки (ст. 40), имеют более высокую катодную активность, чем изученные для сравнения железо-армко и никель. Повышенная катодная активность композитных покрытий объяснена созданием на их поверхности высокоактивных неравновесных наноразмерных фаз.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по нанотехнологиям , автор научной работы — Решетников Сергей Максимович, Харанжевский Евгений Викторович, Кривилёв Михаил Дмитриевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Cathodic emission of hydrogen on the surface o

Cathodic behavior of composite layers obtained by high-speed laser sintering of ultrafine powder Fe-Ni has been studied by the method of cathodic potentio-dynamic curves. It was proved that the layers formed at the steel substrate surface (steel 40) have a higher cathodic activity than the samples of iron-armco and nickel. The improved cathodic activity is explained by formation of highly active nonequlibrium phases with nanoscale dimension.

Текст научной работы на тему «Катодное выделение водорода на поверхности нанокомпозитных слоев, полученных лазерным спеканием порошков железо-никель»

УДК 541.13 : 620.193.6

КАТОДНОЕ ВЫДЕЛЕНИЕ ВОДОРОДА НА ПОВЕРХНОСТИ НАНОКОМПОЗИТНЫХ СЛОЕВ, ПОЛУЧЕННЫХ ЛАЗЕРНЫМ СПЕКАНИЕМ ПОРОШКОВ ЖЕЛЕЗО-НИКЕЛЬ

РЕШЕТНИКОВ СМ., ХАРАНЖЕВСКИЙ Е.В., КРИВИЛЁВ М.Д.

Удмуртский государственный университет, 426034, г. Ижевск, ул. Университетская, 1

АННОТАЦИЯ. Методом снятия катодных потенциодинамических кривых в 0.1М водном растворе №0Н изучено катодное поведение композитных слоев, полученных высокоскоростным лазерным спеканием ультрадисперсных порошков Fe-Ni. Показано, что такие слои, образованные на поверхности стальной подложки (ст. 40), имеют более высокую катодную активность, чем изученные для сравнения железо-армко и никель. Повышенная катодная активность композитных покрытий объяснена созданием на их поверхности высокоактивных неравновесных наноразмерных фаз.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: лазерное спекание, композитные слои, система железо-никель, катодное выделение водорода.

ВВЕДЕНИЕ

Известно, что электрохимические свойства металлических материалов определяются не только природой металлов, из которых состоят эти материалы, но также составом и свойствами поверхностных слоев, микроструктурой поверхности [1 - 3]. Механические напряжения, термохимическая обработка металлов и сплавов, создание на их поверхности неравновесных структур часто приводят к изменению их электрохимических свойств. Так, например, увеличение дисперсности металлов и сплавов вплоть до создания нанокристаллических фаз приводит к повышению электрохимической активности таких материалов при катодном выделении водорода [4, 5].

Одним из путей создания наноразмерных образований на поверхности металлов является их лазерная обработка [6, 7]. Повышение активности электродных материалов после лазерной обработки, в том числе и в реакции катодного выделения водорода, можно назвать лазерной активацией металлов [8, 9].

Ранее в нашей работе [10] было показано, что поверхностные слои, полученные в ходе лазерного спекания порошков на основе железа с содержанием углерода (0,5±0,1) масс. %, состоят из фаз а- и у-железа, адсорбированного и химически связанного кислорода, а также соединений углерода, в том числе с железом. В результате этого такие поверхностные слои приобрели более высокую электрокаталитическую активность в реакции катодного выделения водорода.

Учитывая изменения электрохимической активности лазерно-обработанных материалов, представляет также интерес изучить реакцию выделения водорода на композитах Бе-№.

Отметим, что реакция катодного выделения водорода неоднократно изучалась на сплавах Бе-№ [1, 11, 13]. Так, например, более высокая коррозионная стойкость сплавов Бе-№ по сравнению с индивидуальными Бе и N1 объясняется более низким перенапряжением водорода, что способствует переходу сплава в пассивное состояние. Более высокую активность сплавов Бе-№ отмечают для кислых сред и авторы [12]. Однако повешение каталитической активности сплава наблюдается при содержании никеля более 10 %. Что касается щелочных сред, то согласно данным [1, 12] на сплавах Бе-№ наблюдается более низкое перенапряжение водорода при концентрации N1 10-20 %.

МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Приготовление образцов. Исходными материалами для получения порошка, содержащего нанокомпозитные частицы Бе-№ , являются карбонильное железо марки Р20 и шестиводный карбонат никеля №С03-6Н20 марки х.ч. Подготовка порошка включала такие стадии: механическое измельчение карбонильного железа в мельнице-активаторе

планетарного типа в течение 10 минут; добавление в полученный порошок железа карбоната никеля в необходимом количестве для создания композиции, содержащей 3,2 % Ni масс. или 10 % Ni масс. Совместный размол в течение 10 минут, отжиг образовавшегося порошкообразного композита в среде водорода при 450 °С и заливка полученного порошка гептаном. Именно такие композиции и были в дальнейшем объектом изучения.

При механоактивации порошкообразных материалов происходит ряд процессов, как на микро-, так и на макроуровне [14 - 15]. В зоне соударения шаров со стенками сосудов и между собой реализуется высокоэнергетическое воздействие на частицы порошка, что приводит к протеканию механоактивированных реакций, пластическому разрушению частиц, обратному их соединению за счет холодной сварки. Все это вызывает эволюцию дислокационной структуры, что, в конечном итоге, приводит к формированию нанокристаллического состояния размалываемых частиц.

Установлено, что в ходе совместного размола карбонильного железа с карбонатом никеля происходит разложение последнего до NiO, CO2 и H2O. Оксид никеля при последующем отжиге образовавшихся в ходе размола продуктов (450 °С, атмосфера водорода) превращается в нульвалентный никель. При данной температуре отжига никель практически не диффундирует вглубь частиц железа, образуя нанокомпозит Fe-Ni.

Лазерно-спеченное покрытие создавалось следующим образом. На подложку, выполненную из ст. 40 (цилиндр диаметром 8 мм и высотой 2 мм) наносили порошок Fe-Ni толщиной 0,08 мм. Далее проводили лазерное спекание нанесенного слоя с помощью иттербиевого лазера, работающего в импульсном режиме генерации излучения. Обработка проводилась в вакууме 10-2 мм. рт. ст., мощность излучения 9 Вт для одной партии образцов и 20 Вт - для другой. После этого наносился следующий слой порошка, и вновь проводили облучение. В результате нанесения 10 слоев толщина покрытия составила 0,8 мм.

Рентгеноэлектронные спектры подготовленного порошка и спеченных покрытий снимали с использованием Mg Ка-излучения в модернизированном спектрометре ЭС-2401. Вакуум в камере подготовки образцов не хуже 10 мм рт. ст., в камере энергоанализатора -5-10" мм рт. ст. Для калибровки спектров использована линия C1s адсорбированных углеводородов (285,0 эВ). Спектры снимали с шагом 0,2 эВ. Очистку поверхности и послойное травление проводили бомбардировкой ионами аргона (1 кэВ). Скорость травления порядка 10 А/мин. Математическая обработка спектров проводилась по методике, основанной на преобразовании Фурье с улучшенной процедурой сходимости.

Рентгенографические исследования образцов после лазерного спекания проводили на дифрактометре ДРОН-6 с Co- Ка-излучением методом постоянного времени, набирая интенсивность в каждой точке 20 по 3 с. Растровое изображение поверхности получали в отраженных электронах на Оже-электронном спектрометре Jump 10 S.

Для электрохимических исследований были приготовлены следующие образцы:

- образец №1 - железо-армко;

- образец №2 - никель марки НО;

- образец №3 - лазерное спекание в вакууме нанокомпозита составом Fe+Ni 10 % масс., мощность излучения 9 Вт;

- образец №4 - лазерное спекание в вакууме нанокомпозита составом Fe+Ni 3,2 % масс., мощность излучения 20 Вт;

- образец №5 - лазерное спекание в вакууме нанокомпозита составом Fe+Ni 10 % масс., мощность излучения 20 Вт.

Образцы для электрохимических измерений представляли собой цилиндры с площадью торца 0,5 см . Нанесенный слой на торец цилиндра и был рабочей поверхностью электрода. Нерабочие поверхности электрода были изолированы эпоксидной смолой.

Перед электрохимическими испытаниями электроды зачищали мелкодисперсным оксидом алюминия, нанесенным на влажную ткань. После этого образцы промывали дистиллированной водой и обезжиривали этанолом. Далее образцы помещали в электрохимическую ячейку с 0,1М раствором NaOH.

Одновременно с этим включали потенциостат и задавали электродам потенциал Ф = -1500 мВ (потенциалы измерены относительно насыщенного хлоридсеребряного электрода). При этом потенциале электрод выдерживали 15 минут, что способствовало удалению оксидных слоев, имеющихся на поверхности. Далее включали анодную поляризацию при скорости 1 мВ/с и доводили потенциал до величины ф = -1100 мВ, т. е. несколько катоднее потенциала обратимого водородного электрода в данной среде (величина этого потенциала принята равной -970 мВ). Далее вновь включали катодную поляризацию с той же скоростью и доводили потенциал до исходного значения, т.е. ф = -1500 мВ. Отметим, что прямой и обратный ход поляризационных кривых практически совпадает, что может свидетельствовать об обратимости протекающих процессов, связанных с катодным выделением водорода из щелочной среды по последующему уравнению [1, 16]:

Н2О + е- ^1/2 Н2 + ОН-.

Плотность тока пересчитывали на видимую (геометрическую) поверхность электрода. Для сравнения в этих же условиях снимали катодные поляризационные кривые электродов из железо-армко и никеля.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1 в качестве примера приведено электронно-микроскопическое изображение

структуры и электронограмма изготовленного порошка состава Бе+М 10 % масс. Темные области на изображении обязаны металлическому никелю, расположенному на поверхности частиц железа. Большое число рефлексов на электронограмме, принадлежащих никелю, образовалось вследствие его распределения по искривленной поверхности частиц железа, что и приводит к угловому расхождению кристаллографических направлений соединений кристаллов.

Результаты рентгенографических исследований порошков приведены в табл. 1. Можно видеть, что порошки содержат фазы а - Бе и металлического никеля. Помимо этого на дифрактограммах обнаружены следы карбидной фазы Бе3С, что связано со следами углерода,

неизбежно имеющимися в исходном порошке

^ изображение структуры нанокомпозита Fe-Ni

карбонильного железа.

Таблица 1

Результаты рентгеноструктурного анализа*

Фаза Содержание фазы, вес. % a, нм <L>, нм 8, %

Исходный порошок Бе+10 вес. % N a-Fe (А2, ОЦК) 91 0,2866 80 0,02

Ni (А1, ГЦК) 9 0,5240 30 <0,10

Покрытие Бе+3,2 вес. % N a-Fe (А2, ОЦК) 87 0,2869 15 <0,05

Fe3Ni (А1, ГЦК) 13 0,3590 15 <0,10

Покрытие Бе+10 вес. % N a-Fe (А2, ОЦК) 85 0,2872 17 0,03

Fe3Ni (А1, ГЦК) 15 0,3586 25 0,05

^Содержание фаз; параметр а решетки; средний размер <Ь> когерентного рассеяния; относительная деформация г кристаллической решетки.

Расшифровка рентгеновских дифрактограмм порошков позволила оценить среднее значение размера областей когерентного рассеяния (ОКР). Оценка по фазе никеля дает

а - общий вид структуры частиц порошка; б - электронограмма этого участка

Рис. 1. Электронно-микроскопическое

среднее значение размеров кристаллитов никеля 30 нм. Обработка электронно-микроскопических изображений порошка дает сопоставимый с этой величиной результат.

Таким образом, можно утверждать, что подготовленные порошки состоят из частиц железа, на поверхности которых расположены наноразмерные кристаллы никеля, т.е. частицы порошка являются нанокомпозитом Fe-Ni. Учитывая равномерное распределение кристаллитов никеля, нанокомпозит можно описать как частицу железа в несплошной никелевой оболочке.

Общий вид поверхности, образованной при лазерном спекании порошка с содержанием № 3,2 % масс., показан на рис. 2. Изображение получено в отраженных электронах на Оже-спектрометре. Видно, что на поверхности образца имеются связанные между собой разномасштабные поверхностные структуры. Наблюдаются спеченные между собой агрегаты различного структурного уровня, состоящие из субструктур нанометрового размера. Полученное покрытие хорошо шлифуется с образованием достаточно гладкой поверхности, на которой, тем не менее, сохраняются нанометровые поверхностные структуры. Для примера на рис. 2 приведено изображение границы раздела между сошлифованной областью поверхностного покрытия. Данный образец получили шлифованием под углом 7° к поверхности образца.

а) общий вид образца; б) общий вид границы между сошлифованной и несошлифованной областью покрытия (граница условно показана штриховой линией)

Рис. 2. Изображение поверхности покрытия, полученного лазерного спеканием нанокомпозитных порошков Fe+3.2% масс. №

Результаты РФЭС-исследования поверхностных слоев образцов, содержащих 3,2 и 10 % № масс. приведены в табл. 2. Можно видеть, что на поверхности образцов имеется железо, в том числе в виде оксидов. Никель появляется только после стравливания 30-40 нм поверхности. При этом содержание никеля в покрытии близко к его суммарному содержанию в исходном порошке.

Таблица 2

Состав поверхностных слоев образцов в зависимости от времени t травления аргоном

Состав образца ^ мин Состав, ат.%

Fe С О № Примеси

Fe-10% № 2 14,9 10,2 53,5 0 № - 21,7

5 19,0 11,8 54,2 0 15,1

25 40,0 10,9 34,2 5,7 9,2

Fe-3,2% № 60 50,0 26,9 16,2 7,0 0

2 23,7 24,4 43,6 0 № - 8,3

5 27,1 15,7 49,9 0 7,3

25 40,4 20,6 35,5 3,5 следы

40 45,0 20,8 28,4 5,8

Таким образом, использованная технология лазерного высокотемпературного спекания наноструктурных порошкообразных материалов позволяет наследовать спеченным слоям метастабильное состояние и наноразмерность частиц, полученных в ходе приготовления исходных порошков.

На рис. 3 представлены потенциодинамические поляризационные кривые исследованных образцов в области потенциалов, соответствующих катодному выделению водорода. Отметим, что в случае компактных материалов подгруппы железа наименьшее перенапряжение данной катодной реакции

2Н2О + 2е- = Н2 + 20Н-

характерно для никеля [1, 12, 16].

Начальные участки поляризационных кривых в координатах ф-^ имеют линейный характер, т.е. подчиняются уравнению Тафеля с наклоном - dф/dlgi приблизительно 120 мВ. Такой наклон вполне согласуется с литературными данными для компактных железа и никеля [1, 12, 16]. При потенциалах отрицательное -1200 мВ кривые увеличивают наклон, что можно связать с низкой буферной емкостью использованного раствора 0,1М №ОН.

Для сравнения относительной активности изучаемых электродов линейные тафелевские участки поляризационных кривых в координатах ф = Д(^) экстраполировали до ф = -970 мВ, т. е. потенциала, приблизительно равного потенциалу обратимого водородного электрода в данных условиях. Экстраполированная плотность тока равна току обмена катодной реакции Н2О + е~ —>1/2 Н2 + ОН".

Как видно из рис. 3, наименьший ток <£мв обмена катодной реакции, как и следовало ожидать, у электрода их железа-армко. Значительно более активен никелевый электрод. Наиболее высокий ток обмена, почти вдвое превышающий величину для №, имеет электрод №3, полученный лазерной обработкой порошкообразного состава Fe+10%Ni. Другие образцы, в том числе и образец №5, полученный в другом режиме из порошка с содержанием 10% №, менее катодно активны, хотя и приближаются по этому свойству к электроду из никеля. Учитывая, что одной из стадий реакции катодного выделения водорода из щелочного раствора является адсорбция воды и атомов водорода - можно полагать, что лазерная активация усиливает данные свойства электродов системы Fe-Ni и делает перспективным вопрос о применении таких

материалов в технологии электрохимического получения водорода для целей развития водородной энергетики.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы. Лазерная обработка порошкообразных материалов Fe-Ni при содержании никеля 3,2 и 10 % масс. приводит к созданию поверхностных слоев, отличающихся по своим свойствам от компактных материалов Fe-Ni. В значительной мере это связано с тем, что получаемые в ходе лазерной обработки поверхностные слои содержат наноразмерные структуры. В результате лазерная обработка таких материалов приводит к повышению эффективности полученных материалов, катодная активность которых значительно выше никеля, самого активного в этом отношении металла из группы железа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Лазерная обработка порошкообразных материалов системы Fe-Ni с содержанием № 3,2 и 10 % масс. приводит к созданию на металлической подложке спеченного слоя с тем же содержанием компонентов и с сохранением наноразмерности поверхностных структур.

-1д ] 0,А/см2)

1 - железо-армко; 2 - никель; 3 - образец №3; 4 - образец №4; 5 - образец №5

Рис. 3. Катодные поляризационные кривые образцов в 0,1М NaOH

Наличие метастабильных наноразмерных структур приводит к повышению активности таких материалов в реакции катодного выделения водорода. На этой основе возможно создание материалов, катодная активность которых значительно выше никеля, самого активного в этом отношении металла из подгруппы железа.

Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 09_02_11110-ОФИ_М) и Минобрнауки РФ (грант №2009-1.5-507-007-002)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Скорчеллетти В.В. Теоретические основы коррозии металлов. М. : Химия, 1972. 263 с.

2. Томашев Н.Д., Чернова Г.П. Теория коррозии и коррозиционно-стойкие конструкционные сплавы. М. : Металлургия, 1993. 416 с.

3. Медведева М.Л. Коррозия и защита оборудования при переработке нефти и газа. М. : Нефть и газ, 2005. 312 с.

4. Сюгаев А.В., Ломаева С.Ф., Маратканова А.Н. и др. Электрохимические свойства силикокарбида железа и цеменита в кислых и нейтральных средах // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2009. Т.45, №1. С.84-91.

5. Сюгаев А.В., Ломаева С.Ф., Решетников С.М. Электрохимические свойства нанокомпозитов a-Fe+Fe3C // Физикохимия поверхности и защита материалов. 2010. Т.46, №1. С.74-80.

6. Колотыркин В.И., Янов Л.А., Княжева Л.М. Высокоэнергетические способы обработки поверхности для защиты металлов от коррозии // Коррозия и защита от коррозии. Итоги науки и техники. ВИНИТИ АН СССР, 1986. Т.12. С.185-287.

7. Харанжевский Е.В., Ипатов А.Г., Климова И.Н. и др. Лазерное спекание ультрадисперсных порошковых материалов на основе железа // ФММ. 2009. Т.108, №5. С.534-540.

8. Ефимов И.О., Кривенко А.Г., Бендерский В.А. Лазерная активация никелевого электрода, I // Электрохимия. 1988. Т.24, №9. С.1176-1180.

9. Ефимов И.О., Кривенко А.Г., Бендерский В.А. Лазерная активация никелевого электрода, II // Электрохимия. 1988. Т.24, №9. С.1181-1186.

10. Решетников С.М., Харанжевский Е.В., Кривилев М.Д. и др. Катодное выделение водорода на поверхности композитных слоев, полученных лазерным спеканием порошков железа и углерода // Вестник Удмуртского университета. Серия Физика. Химия. 2010. Вып.2. С.21-27.

11. Лавренко В.А., Ягуповская Л.Н., Тикун В.Л. и др. Перенапряжение выделения водорода на сплавах системы железо-никель // Электрохимия. 1973. Т.9, №12. С. 1808-1811.

12. Федорова Н.С. О связи между перенапряжениям водорода на сплавах и межатомными расстояниями в них // Журнал физической химия. 1958. Т.32. С.506-511.

13. Камышев А.К. Влияние микроструктуры и состава железоникелевых сплавов на их кинетику анодного растворения в серной кислоте // В кн. «Ученые записки Омского государственного педагогического института». 1968. Вып. 35. С.46-56.

14. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск : Наука. 1991. 246 с.

15. Валиев Р.З., Александров И.В. Наноструктурные материалы, получаемые интенсивной пластической деформацией. М. : Логос. 2000. 272 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

16. Антропов Л.И. Теоретическая электрохимия. М. : Высшая школа, 1984. 519 с.

CATHODIC EMISSION OF HYDROGEN ON THE SURFACE OА COMPOSITE LAYERS OBTAINED BY LASER SINTERING OF IRON-NICKEL POWDERS.

Reshetnikov S.M., Kharanzhevsky E.V., Krivilyov M.D. Udmurt State University, Izhevsk, Russia

SUMMARY Cathodic behavior of composite layers obtained by high-speed laser sintering of ultrafine powder Fe-Ni has been studied by the method of cathodic potentio-dynamic curves. It was proved that the layers formed at the steel substrate surface (steel 40) have a higher cathodic activity than the samples of iron-armco and nickel. The improved cathodic activity is explained by formation of highly active nonequlibrium phases with nanoscale dimension.

KEY WORDS: laser sintering, composite layers, binary system Fe-Ni, cathodic emission of hydrogen.

Решетников Сергей Максимович, доктор химических наук, профессор кафедры физической и органической химии УдГУ, руководитель НОЦ «Физико-химия и технология наноматериалов», тел. (3412) 916469, e-mail: smr41@mail.ru

Харанжевский Евгений Викторович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой общей физики УдГУ, тел. (3412) 916139, e-mail: eh@udsu.ru

Кривилёв Михаил Дмитриевич, кандидат физико-математических наук, , заведующий лабораторией физики конденсированных сред УдГУ, тел. (3412) 916230, e-mail: mk@udsu.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.