Закономерности процесса фазообразования при контакте дисперсного алюминия с раствором, содержащим железо(III) и ванадий(IV)

Дресвянников А. Ф.; Колпаков М. Е.

УДК 546.881:541.138

А. Ф. Дресвянников, М. Е. Колпаков

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЦЕССА ФАЗООБРАЗОВАНИЯ ПРИ КОНТАКТЕ ДИСПЕРСНОГО АЛЮМИНИЯ С РАСТВОРОМ, СОДЕРЖАЩИМ ЖЕЛЕЗО(Ш) И ВАНАДИЙ(ТУ)

Ключевые слова: железо, ванадий, соосаждение, хронопотенциограммы, температурные зависимости.

Исследованы закономерности образования новой фазы на поверхности микрочастиц алюминия. Установлено, что изменение редокс-потенциала и температуры реакционной смеси может служить косвенной характеристикой глубины протекания процесса фазообразования.

Keywords: iron, vanadium, co-deposition, electrochemical and temperature curves.

Pattern formation of a new phase on aluminium microparticles surface have been investigated. It was established that the redox potential and the temperature changes of the reaction mixture may serve as an indirect characteristic of the phase formation process depth.

Ванадий, как легирующий элемент, заметно повышает эластичность и износостойкость материалов. Ванадийсодержащие материалы используются в производстве

высоконагруженных изделий: автомобильных и авиационных двигателей, осей, пружин и т.д. Система Fe-V обладает особыми магнитными свойствами [1-3]. Широкое применение ванадийсодержащих материалов вызвано также решением проблемы защиты от коррозии изделий и оборудования в металлургии, химической промышленности и теплоэнергетике [4]. Одним из вариантов получения наноструктурированных материалов является их формирование из предшественников, содержащих необходимые ингредиенты и имеющих заданные нано- и микроразмеры. В некоторых случаях в качестве конструкционных и функциональных материалов востребованы интеметаллиды на основе металлов триады железа и алюминия, а также легирующих добавок, придающих улучшенные физико-механические свойства. Для формирования предшественников таких материалов используют разные методы, в том числе и электрохимические.

В данной работе исследовали процессы, протекающие при контакте водных растворов ионов Fe(III) и V(IV) с алюминиевой дисперсной основой.

Из рис.1 следует, что в присутствии ионов ванадия(М) в исходном растворе с pH^1,0 (рис.1) температурная зависимость аутентична, наблюдаемой в растворе, содержащем только ионы железа( III) - имеет место резкий рост температуры реакционной смеси до некоторого максимума. В то же время присутствие ионов V(IV) незначительно сокращает величину индукционного периода, при этом существенно увеличивая скорость роста температуры (~ в 2,5 раза) (табл.1). Высокая скорость саморазогрева реакционной смеси приводит к росту температуры до 100°С и выше.

Сопоставление хронопотенциограмм (рис.2), полученных на платиновом электроде в растворах, содержащих железо(Ш) и железо(Ш) + ванадий(М), подтверждает предположение, сделанное при анализе термограмм об аутентичности характера процессов, протекающих при совместном разряде ионов железа(Ш) и ванадия(М). Однако, в присутствии ионов ванадия(М) потенциал платинового электрода достигает более отрицательных значений, что указывает на достижение значительной глубины процесса фазообразования. Вероятно, в случае совместного выделения металлов в процессе контактного обмена происходит

электролитическое сплавообразование.

тге—

но

Ю -------1-----1----1----1-----1----1-----1----1----1-----1----1-----1

О 250 500 750 1000 1250 1500

Рис. 1 - Изменение температуры реакционной смеси в ходе редокс-процесса для систем:

1 - Ре-У; 2 - Ре (растворы 1 - 1,0М Ре(!!!) + 0,1М У(!У); 2 - 1М Ре(М!))

Таблица 1 - Параметры восстановления ионов металлов (т - индукционный период, vmax - максимальная скорость роста температуры, Ттах - максимум температурной кривой)

Система Раствор т, с Утах> °С/с Т °С і тах> ^

Ре-У 1,0М Ре(ііі) + 0,1М У(іУ) 49 1,36 103,0

Ре 1М Ре(ііі) 55 0,48 100,0

Е, мВ

800 --------1-----1-----1-----1-----1----1-----1-----1-----1-----1----1-----1

О 250 500 750 1000 1250 1500 Т, С

Рис. 2 - Хронопотенциограммы платинового электрода для систем: 1 - Ре-У; 2 - Ре (растворы 1 - 1,0М Ре(!!!) + 0,1М У(!У); 2 - 1М Ре(!!!))

Одновременно с соосаждением металлов имеет место выделение водорода. На хронопотенциограмме, соответствующей процессу фазообразования в присутствии ионов ванадия(!У), наблюдаются флуктуации потенциала, которые, по всей видимости, связаны с протеканием периодических процессов «образование-растворение зародышей новой фазы».

Методом парциальных поляризационных кривых показано (рис.3), что совместный разряд ионов железа и ванадия в области рабочих плотностей тока происходит с небольшой сверхполяризацией по сравнению с электролитическим выделением железа. Поляризационная кривая совместного разряда ионов железа, ванадия и гидроксония находится ниже поляризационной кривой осаждения элементного железа. Это может свидетельствовать о преимущественном выделении железа и разряде ионов ванадия. Катодное восстановление ионов металлов лимитируется диффузией, в то время как анодный процесс ионизации алюминия протекает исключительно в кинетической области.

По поляризационным кривым определяли значения компромиссных потенциалов, соответствующих равенству токов анодного и катодного процессов (табл.2). Согласно таблице

2 присутствие ионов У(!У) несколько снижает скорость электрохимической реакции.

Рис. 3 - Парциальные поляризационные кривые (298 К). Анодная: алюминиевый электрод в растворе хлорида натрия, моль/л: 1 - 1,0. Катодные: железный электрод в растворах: 2 - 1М Ре(!!!); 3 - 1,0М Ре(!!!) + 0,1М У(!У)

Таблица 2 - Характеристики скоростей процессов выделения Ее и Ее+У в

электрохимической ячейке

Характеристика процесса Концентрация ионов, моль/л

1,0М Ре(ііі) 1,0М Ре(ііі)+ 0,1М У(іУ)

Е, мВ -616 -629

2 ], мА/см 46,6 38,4

5 2 Уэл-10 , моль/(см -с) 16,1 13,2

Таким образом, экспериментально доказано, что процесс фазообразования на дисперсной алюминиевой матрице в сильнокислых растворах Fe(III) и V(IV) характеризуется индукционным периодом и саморазогревом гетерогенной реакционной смеси до температуры 100°С с выделением тепла и молекулярного водорода.

Задачей дальнейших исследований является расшифровка химического и фазового состава полученных систем.

Экспериментальная часть

Электрохимические измерения проводили в стеклянной ячейке ЯСЭ-2 с разделенными катодным и анодным пространствами [5]. Вспомогательный раствор, содержащий ионы V(IV), готовили путем растворения VO2 в концентрированной хлороводородной кислоте. В качестве электрода сравнения использовали хлоридсеребряный электрод ЭВЛ-1МЗ.1, снабженный капилляром Луггина, а в качестве вспомогательного - платиновый проволочный противоэлектрод. Все электрохимические исследования проводили с помощью импульсного потенциостата P-30IM (Elins). Катодные поляризационные кривые снимали на железном электроде с фиксированной рабочей поверхностью (0,12 см2) в рабочих электролитах, варьируя концентрации компонентов, анодные - на алюминиевом электроде (А95) в растворе AICI3, соответствующей концентрации. Циклические вольтамперные кривые снимали на платиновом электроде (0,2 см2). Кроме того, фиксировали хронопотенциограммы алюминиевого суспендированного электрода в исследуемых электролитах; потенциал также измеряли относительно хлоридсеребряного электрода сравнения. Значения потенциала по всем результатам электрохимических измерений приведены относительно хлоридсеребряного электрода.

Термические измерения проводили непосредственно в реакционной среде с использованием минитермопары К-типа и вольтметра AM-1118 (Aktakom). Сигналы с вольтметра в цифровой форме обрабатывали на персональном компьютере.

Исследование выполнено в рамках госконтракта №16.552.11.7012 «Развитие центрами коллективного пользования научным оборудованием комплексных исследований в рамках основных направлений реализации федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы».

Литература

1. David, D.J. Comparison of theory and experiment for the magneto-compositional correlation in a ferromagnetic Fe-V crystal / D.J. David, J. Robinson, A.P. Murani et al // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2004. - V.272-276, №2. - P.755-757.

2. Yartseva, N.S. Vector-simulated magnetism of Fe/V nanostructures / N.S. Yartseva, S.V. Yartsev, N.G. Bebenin et al // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2004. - V.272-276, №2. - P.1600-1601.

3. Guan, Y. Element-specific spin and orbital moments in Fei_xVx alloys / Y. Guan, C. Scheck, W.E. Bailey // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - 2009. - V.321, №8. - P.1039-1044.

4. Mordovin, I.V. Mechanism and Kinetics of Corrosion Decomposition of Iron-Vanadium Alloys in Solutions of Acids and Salts / I.V. Mordovin, E.G. Kazanskii, V.P. Kochergin // Protection of Metals, 2002. -V.38, №3. - P.258-262.

5. Колпаков, М.Е. Основные закономерности образования новой фазы при контакте суспензии алюминия с раствором, содержащим железо(Ш) и никель(11) / М.Е. Колпаков, А.Ф. Дресвянников // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2011. - Т.14, №5. - С.292-296.

Аннотация научной статьи по химическим наукам, автор научной работы — Дресвянников А. Ф., Колпаков М. Е.

Похожие темы научных работ по химическим наукам , автор научной работы — Дресвянников А. Ф., Колпаков М. Е.

Текст научной работы на тему «Закономерности процесса фазообразования при контакте дисперсного алюминия с раствором, содержащим железо(III) и ванадий(IV)»