CC BY
18Ученые записки Таврического национального университета им. В. И. Вернадского Серия «Биология, химия». Том 24 (63). 2011. №3. С. 31-34.
УДК 541.138
НАВОДОРОЖИВАНИЕ И ИОНИЗАЦИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА НА КОМПАКТНЫХ Ои,Р0-ЭЛЕКТРОДАХ
Введенский А.В., Морозова Н.Б., Максименко А.А., Золоторева И.П.
Воронежский государственный университет, Воронеж, Россия E-mail: mnb@chem.vsu.ru
Рассмотрены процессы наводороживания и ионизации атомарного водорода на компактных сплавных электродах из меди и палладия в широком интервале составов. Установлено, что с увеличением содержания меди в сплаве скорость ионизации атомарного водорода снижается, а на сплаве Cu4Pd и чистой меди пик ионизации вообще не наблюдается. Определена константа KD, характеризующая водородную диффузионную проницаемость.
Ключевые слова: ионизация атомарного водорода, наводороживание, диффузия, медь, палладий.
ВВЕДЕНИЕ
Проникновение водорода в металлические материалы изменяет их коррозионно-электрохимические характеристики, вызывает серьезные проблемы при выборе конструкционных материалов для атомной энергетики, авиации, судостроения и других отраслей промышленности [1]. Имеющиеся методы изучения процесса наводороживания (внедрение/термоэкстракция, использование водородопроницаемой мембраны) достаточно трудоемки, не экспрессны и относительно мало чувствительны к оценке роли структурного состояния металла, что особенно важно в случае тонких пленок. Альтернативным является электрохимический метод оценки степени наводороживания [2]. Данный метод, будучи in situ, совмещает процессы катодного наводороживания металла, обычно при постоянном контролируемом потенциале, с анодным растворением атомарного водорода Н из тонкого поверхностного слоя, представляющего диффузионную зону по внедренному Н. Цель работы - определение параметров внедрения и эмиссии атомарного водорода на компактных электродах из Cu, Pd и их сплавов в широком интервале составов.
Наводороживание образцов проводили при потенциале выделения водорода Ек = -0,08 В меняя время наводороживания tH в широких пределах. Изучение ионизации Н, внедренного в металл проводили методами вольтамперометрии и хроноамперометрии с привлечением потенциостата IPC-Compact с компьютерным управлением. Исследования выполнены в водном деаэрированном аргоном (х.ч.) 0,1М H2SO4 (ос.ч) при 298 К. Потенциалы даны относительно с.в.э.
На анодной ветви циклических вольтамперограмм Pd и C^Pd-сплавов с содержанием палладия XPd > 15 ат.% наблюдается характерный пик тока (iH),
связанный с ионизацией атомарного водорода с поверхности электрода (рис. 1). При переходе от Pd к сплавам Cu-Pd обнаружено смещение пика ионизации в более положительную область потенциалов. Наибольшая скорость ионизации водорода характерна для палладия. При увеличении содержания меди в сплаве высота пика ^ снижается. На сплаве Cu4Pd и чистой меди пик ионизации водорода вообще не наблюдается даже при увеличении времени хн до 3900 с, а при потенциале 0,4 В для них характерно образование оксидов меди.
Для электродов с достаточно высоким содержанием палладия наблюдается монотонное возрастание ^ с увеличением скорости сканирования потенциала V. Опытные зависимости 1п^1/2 имеют четкую линейную форму (рис. 2), что говорит о наличии твердофазных диффузионных затруднений процесса набс ® нпов. Зависимость пика ионизации Еп от V указывает на необратимый характер электрохимической стадии нпов ® Н+
Рис. 1. Вольтамперограммы для Pd (1), Cu80Pd (2) и Cu60Pd (3), полученные в 0,1М Н2804 со скоростью развертки 5 мВ/с.
Рис. 2. Зависимость 1п^1/2 для Pd и ^^-сплавов в растворе 0,1М Н2804.
Катодные и анодные потенциостатические зависимости тока от времени получены соответственно как при Ек (при разных временах наводороживания), так и при потенциале Еп, отвечающего максимуму пика на анодной вольтамперограмме (рис. 3). По катодным и анодным спадам тока рассчитаны заряды, пошедшие на накопление водорода Qк, и его ионизацию Qа. По этим данным рассчитана диффузионная константа процесса КБ = БН2 • ^ , где Бн - коэффициент диффузии Н в металле, ^ - концентрация атомарного водорода (табл.). Видно, что с увеличением содержания меди в сплаве Кб уменьшается.
НАВОДОРОЖИВАНИЕ И ИОНИЗАЦИЯ АТОМАРНОГО ВОДОРОДА...
Рис. 3. Хроноамперограммы процессов наводороживания и ионизации для сплавов Cu60Pd и Cu30Pd при времени наводороживания тнав = 1-10 с.
Таблица 1
Значения константы диффузии для Си,Рй-электродов
Xpd, ат.% 100 80 60 50 40 30
KD109, моль/см2с1/2 11,4 12,4 1,94 1,70 0,96 0,43
ВЫВОДЫ
1. Наводороживание (при катодной поляризации) и экстракция водорода (при анодной) лимитируется твердофазной диффузией Н в металлической фазе. При этом стадия разряда/ионизации H+ + е- Ъ H не является равновесной, а протекает с конечной скоростью.
2. Введение Cu в Pd приводит к заметному торможению как электрохимической стадии, так и диффузионной. Снижение диффузионной проницаемости, проявляющееся в спаде KD может быть связано с уменьшением DH, либо, что гораздо более вероятно, со снижением концентрации абсорбированного водорода.
Работа выполнена в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 годы (госконтракт № П2572).
Список литературы
1. Водород в металлах: В 2 т. / Под ред. Г. Алефельд, И. Фёлькль; Пер. с англ. - М.: Мир. Т.2 : Прикладные аспекты. - 1981. - 430 с.
2. Pound B.G. A potentiostatic double-step method for measuring hydrogen atom diffusion and trapping in metal electrodes. II. Experimental / B.G. Pound, G.A. Wright, R.M. Sharp // Acta metall. - 1987. -Vol. 35, No. 1. - P. 263-270.
Введенський А.В. Накопичення водню та шшзащя атомарного водню на компактних Cu, Pd-Електродах / А.В. Введенський, Н.Б. Морозова, А.А Максименко, 1.П. Золоторьова // Вчеш записки Тавршського нацюнального ушверситету iM. В.1. Вернадського. Серiя „Бюлопя, хiмiя". - 2011. - Т. 24 (63), № 3. - С. 31-34.
Розглянуто процеси накопичення водню та юшзащя атомарного водню на компактних сплавних електродах з мщ i паладiю в широкому штерват складiв. Встановлено, що 3i збiльшенням вмiсту мiдi в сплавi швидюсть iонiзацii атомарного водню знижуеться, а на сплавi Cu4Pd та чисто! мщ пiк iонiзацii взагалi не спостерггаеться. Визначено константа KD, що характеризуе водневу дифузiйну проникшсть. Krn4oei слова: iонiзацiя атомарного водню, накопичення водню, дифузiя, мвдь, паладш.
Vvednskii A.V. Hydrogenation and ionization of atomic hydrogen on compact Cu,Pd-electrodes / A.V. Vvednskii, N.B. Morozova, A.A. Maximenko, I.P. Zolotoreva // Scientific Notes of Taurida V.Vernadsky National University. - Series: Biology, chemistry. - 2011. - Vol. 24 (63), No. 3. - P. 31-34. The processes of hydrogenation and ionization of atomic hydrogen on compact electrodes from copper-palladium alloys in a wide region of concentration are considered. It was established that the rate of ionization of atomic hydrogen decrease with the growth of copper concentration in the alloy. On copper and Cu4Pd alloy the ionization peak is not revealed. It was determined the constant KD, characterizing the hydrogen diffusion penetrability.
Keywords: ionization of atomic hydrogen, hydrogenation, diffusion, copper, palladium.
Поступила в редакцию 17.09.2011 г.
