腐蚀表面化学透露的秘密

人们很容易用肉眼看到,留下一个老钉在雨中引起生锈。什么需要敏锐的眼睛和敏感的鼻子显微镜和光谱学是观察铁腐蚀并形成新矿物,特别是水和少量的钠和钙。

由于新技术开发的化学家在密西根科技大学,这个过程的初始阶段可以进行更详细的研究与表面分析。珀赖因领导的团队,凯瑟琳,化学助理教授,最近他们最新的论文发表在《物理化学》杂志上。

集团的主要发现是,在溶液中阳离子-带正电的钠或钙离子影响碳酸盐的类型电影发展当暴露在空气中,这是由大气中的氧气和二氧化碳。逐渐暴露的氧气和二氧化碳产生碳酸盐电影特定阳离子。不同形状的铁氢氧化物和形态是没有循序渐进的空气接触,不是特定于阳离子。

更好地了解这一过程和多快矿物质形式开辟了可能性监控二氧化碳捕获、副产品和水质改善旧桥梁和管道的基础设施管理。

方法去跨学科

尽管锈铁矿产和相关知名地球表面上的生命的一部分,他们形成的环境相当复杂和多样。生锈通常是由铁氧化物和铁氢氧化物,但腐蚀也会导致铁碳酸盐和其他矿物的形成。对于每一个形式,很难了解预防或生长的最佳条件。Perrine指向弗林特水危机等主要环境问题为例,说明像铁锈一样简单的事情可以轻易陷入更复杂的,不必要的后续反应。

“我们想要测量,揭示化学反应在现实环境中,“Perrine说,并补充说她的团队特别关注表面化学,水的薄层和电影,金属和空气的相互作用。“我们必须使用一个高水平的(表面)敏感性分析工具来获得正确的信息,所以我们能说什么是表面的机制以及如何(铁)转换。”

研究材料的表面科学本质上是跨学科的;从地球化学材料科学,土木工程,化学,Perrine认为她的工作是一座桥,帮助其他学科更好地通知他们的过程,模型、干预措施和创新。这样做需要精度高、灵敏度在她的小组的研究。

而其他的方法监测表面腐蚀和电影增长确实存在,Perrine的实验室使用表面化学方法可以适应其他还原和氧化过程在复杂环境中进行分析。在一系列的论文,他们审查的三阶段过程评估改变电解液成分和利用空气的氧气和二氧化碳作为反应物,观察实时生成不同的矿物质air-liquid-solid观察到界面。

精确测量是看到化学分子的镜头

团队使用的分析技术surface-sensitive技术:极化modulated-infrared reflection-absorption光谱学(PM-IRRAS)减毒总reflectance-Fourier变换红外光谱学(ATR-FTIR), x射线光电子能谱(XPS)、原子力显微镜(AFM)。

“光谱学告诉我们化学;珀赖因显微镜告诉我们身体变化,”说。“很难[图片]这些腐蚀实验实时(AFM)因为表面是不断变化的,在腐蚀和解决方案是改变。”

什么图片揭示是一个序列的点蚀,咀嚼和有辱人格的表面,称为腐蚀,产生成核网站发展的矿物质。关键是看初始阶段作为时间的函数。

“我们可以观察腐蚀和电影增长作为时间的函数。氯化钙(解决方案)倾向于表面腐蚀更快,因为我们有了更多的氯离子,但也有一个更快的碳酸盐的生成速率,“Perrine补充说,在她实验室记录的视频,可以看到氯化钠溶液腐蚀铁的表面逐渐干和继续形成铁锈的解决方案。

她补充道,因为铁是无处不在的环境系统,减速和密切观察矿物的形成归结为调整变量如何在不同的解决方案,它将暴露在空气中。

团队的表面催化方法可以帮助研究人员更好地理解基本环境科学和其他类型的表面过程。希望他们的方法可以帮助揭示机制导致水污染,找到方法来减少二氧化碳,防止桥梁坍塌和激励聪明的设计和更清洁的燃料,以及提供更深入的了解地球的地球化学过程。

参考:de Alwis C, Trought M,珀赖因Lundeen J, KA。阳离子对氧化的影响和大气腐蚀的铁接口矿物质。J理论物理化学。2021;125 (36):8047 - 8063。doi:10.1021 / acs.jpca.1c06451

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