CN112540109B - 一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请属于电化学领域，具体涉及一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法和装置。首先，在电化学装置的基础上，通过导管连接一个U型管测压计；其次，通过记录U型管两侧液面不同时刻的刻度值，计算不同时刻进行电化学实验的封闭玻璃杯容器内气体体积和压强的变化；最后，通过对封闭玻璃杯容器内气体体积和压强的变化进行计算，可以得出不同时刻的析氢量。该方法避免了在传统析氢实验中由于氢气会吸附在金属表面无法及时逸出而无法实时记录析氢量的不足。

Description

一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法和装置

技术领域

本申请属于电化学领域，具体涉及一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法和装置。

背景技术

在工业环境中，金属材料往往会受到腐蚀影响而失效，特别是在海水环境中，由于富含Cl^-，极易使金属材料发生腐蚀疲劳失效和以点蚀为主的局部腐蚀，使其使用寿命严重缩短，同时给国民经济带来极大损失，甚至导致灾难性后果。

在对金属材料的腐蚀性能进行评估时，电化学测试和析氢实验都是行之有效的手段。在电化学测试过程中，阳极金属会电解生成金属阳离子和自由电子，自由电子会在阴极与水反应生成氢气并逸出水面。通过对电化学过程中电解质溶液电位和电流密度进行检测可以有效的分析腐蚀过程，同时记录产生的氢气量也可以有效的反应腐蚀过程。

由于腐蚀过程生成的氢气部分会吸附在金属表面而无法有效及时的逸出，因此用传统的氢气收集方法来实时记录析氢量不仅会有很大的误差，也会因为氢气的吸附效应而具有一定的延时性。

如何有效的对每个时刻的析氢量进行记录，并将之与电化学测试过程中记录的电位、电流等数据统一进行分析是电化学实验的一大难题。

基于以上问题，设计一种在电化学实验过程中同步进行析氢量计算的方法就显得很有必要。

发明内容

为了解决现有技术中的不足之处，本申请提出一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法及实现该方法的装置，该方法可以有效的计算各时刻的析氢量和相应电化学数据。

本发明采用的具体技术方案如下：

首先，在电化学装置的基础上，通过导管连接一个U型管测压计；其次，通过记录U型管两侧液面不同时刻的刻度值，计算不同时刻进行电化学实验的封闭玻璃杯容器内气体体积和压强的变化；最后，通过对封闭玻璃杯容器内气体体积和压强的变化进行计算，可以得出不同时刻的析氢量。该方法避免了在传统析氢实验中由于氢气会吸附在金属表面无法及时逸出而无法实时记录析氢量的不足。为了实现上述目的，本申请采取的技术方案如下：

一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法是通过如下装置实现的：

该装置包括电化学工作站，电化学工作站通过三根导线与密封玻璃杯容器内电解质溶液中的工作电极、参比电极和对电极相连，电极和容器盖之间用密封圈密封；电化学反应过程中产生的氢气通过导管与U型管测压计相连，导管之间通过橡胶圈保证密封；U型管测压计与导管一端用橡皮塞密封，另一端由铁架台固定；电化学工作站的电化学数据通过数据线连接在电脑上显示。

电化学过程中产生的氢气一部分从液体逸出，一部分吸附在液体中金属表面，但两者都会改变封闭空间内气体的体积和压强，通过记录U型管两侧液面刻度值，可计算不同时刻封闭容器内气体的体积和压强变化，从而进一步计算出不同时刻的析氢量。

利用U型管不同时刻液面刻度值计算电化学过程中的析氢量，其具体过程为：

1)记录实验开始时U型管左右管内液面刻度值，记为h_1l和h_1r，则实验开始时封闭玻璃杯容器内的气压p₁为：

P₁＝ρg(h_1r-h_1l)+P_atm

其中：P₁——实验开始时封闭玻璃杯容器内的气压；

P_atm——大气压，P_atm＝10.1325N/cm²；

ρ——U型管内水的密度，ρ＝1g/cm³；

h_1l——实验开始时U型管左侧液面刻度值；

h_1r——实验开始时U型管右侧液面刻度值。

2)记录t时刻U型管左右管内液面刻度值，记为h_tl和h_tr，则t时刻封闭玻璃杯容器内的气压p_t为：

P_t＝ρg(h_tr-h_tl)+P_atm

其中：P_t——t时刻封闭玻璃杯容器内的气压；

h_tl——t时刻U型管左侧液面刻度值；

h_tr——t时刻U型管右侧液面刻度值。

3)分别计算t时刻的V_tx和V_ty：

V_tx＝πr²(h_tr-h_1r)

其中：V_tx——t时刻造成封闭玻璃杯容器内气体体积变化的析氢量；

V_ty——t时刻造成封闭玻璃杯容器内气体压强变化的析氢量；

v₁——实验开始时封闭玻璃杯容器内气体体积。

4)测量初始时刻封闭玻璃杯容器内气体体积v₁。在不破坏实验装置和过程的情况下直接测量实验开始时封闭玻璃杯容器内气体体积v₁具有一定难度，可以通过用排水法测量实验结束后封闭玻璃杯容器内气体体积v₀来间接测量v₁：

v₁＝v₀-Δv

Δv＝πr²(h_0r-h_1r)

其中：v₀——实验结束后封闭玻璃杯容器内气体体积，

Δv——实验结束后封闭玻璃杯容器内气体增量，

h_0r——实验结束后U型管右侧液面刻度值。

5)计算电化学反应过程产生的总的氢气量V：

V＝V_x+V_y

其中：V_x——实验结束后造成封闭玻璃杯容器内气体体积变化的析氢量；

V_y——实验结束后造成封闭玻璃杯容器内气体压强变化的析氢量。

测量实验结束后封闭玻璃杯容器内气体体积v₀的排水法具体过程为：

1)利用针管通过密封玻璃杯容器杯盖上的密封圈向密封玻璃杯容器内注入定量液体水，直至密封玻璃杯容器和导管内的气体被全部压入到U型管内；

2)记录U型管左右两侧管内液面刻度值；

3)取出相同U型管注入定量液体水，直至管内左右液面与前U型管刻度值相同；

4)在注水过程中密封空间内的气体体积会发生变化，该变化极小，对后续计算误差可忽略不计；

5)计算注入新U型管内的水的体积，即v₀。

需要注意的是，在电化学实验开始前要检查装置气密性，并保证密封玻璃杯容器内的初始气体体积小于U型管最大容量。

该方法和装置还可以将电化学工作站测得的电位、电流等电化学参数与析氢量结合，进一步分析电化学过程中金属材料的腐蚀过程和机制。

如有必要，还可以在本装置的基础上外加相机，记录电化学过程中金属材料表面的腐蚀过程，不同腐蚀时间的图片和电化学、析氢数据相互佐证，可以更好的分析金属材料的腐蚀过程。

该发明和装置的优势在于，利用常用的设备和简单的操作即可准确的记录电化学过程中不同时刻的析氢量，将记录的电化学参数和析氢量相结合可以更好的分析电化学中金属材料的腐蚀过程和机理。

附图说明

图1为本申请提出的一种在电化学测试时同步进行析氢量计算装置的示意图；

图2为工作电极示意图。

图中：1封闭玻璃杯容器、2电解质溶液、3密封圈、4工作电极、5参比电极、6对电极、7导管、8导线、9橡胶圈、10电化学工作站、11橡皮塞、12U型管测压计、13铁架台、14电脑、15数据线、41AZ31B镁合金实验试样、42环氧树脂、43导棒、44PVC管。

具体实施方式

选择AZ31B镁合金为研究对象，3.5％NaCl溶液为腐蚀溶液，电化学工作站为CHI600，U型管测压计量程±200mm。

制备工作电极，如图2所示，使用环氧树脂将试样固定在PVC管内，仅留6mm×6mm工作区域与腐蚀溶液接触。参比电极为饱和甘汞溶液，对电极为铂箔。

连接设备和装置，保证接口处气密性。为方便计算，使实验开始时U型管左右液面刻度值都为0，即h_1l＝h_1r＝0mm。

进行电化学测试，采用阴极扫描，电位与电流密度由-1.374V(5.72796×10^-6Acm^-2)变化至-1.974V(8.933×10^-3Acm^-2)，共进行1800s。实验结束后U型管左右液面刻度值h_0l和h_0r分别为54.75，即变化0.5475cm。

利用排水法计算试验结束后密封玻璃杯容器内气体体积v₀：

v₀＝219.32ml

实验开始时封闭玻璃杯容器内气压P₁：

P₁＝P_atm＝10.1325N/cm²

实验结束后封闭玻璃杯容器内气压P₀：

P₀＝ρg(h_0r-h_0l)+P_atm

＝1g/cm^3×9.8N/Kg×(0.5475cm×2)+10.1325N/cm²

＝0.010731N/cm²+10.1325N/cm²

计算实验结束后造成封闭玻璃杯容器内气体体积变化的析氢量V_x：

V_x＝πr²(h_0r-h_1r)

＝3.14159×0.5cm×0.5cm×0.5475cm

＝0.43ml

计算实验开始时封闭玻璃杯容器内气体体积v₁：

v₁＝218.89ml

计算实验结束后造成封闭玻璃杯容器内气体压强变化的析氢量V_y：

计算电化学过程中总析氢量V：

V＝V_x+V_y＝0.6616ml

不同时刻的析氢量可以根据不同时刻U型管内液面刻度来进行计算。

利用该方法可以准确的记录电化学实验过程中不同时刻的析氢量，将计算所得析氢量与电压、电流密度等电化学参数结合分析，可以更好的分析金属材料的腐蚀过程和机制。

Claims (5)

1.一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法，利用如下装置实施，该装置包括电化学工作站，电化学工作站通过三根导线与密封玻璃杯容器内电解质溶液中的工作电极、参比电极和对电极相连，电极和容器盖之间用密封圈密封；电化学反应过程中产生的氢气通过导管与U型管测压计相连，导管之间通过橡胶圈保证密封；U型管测压计与导管一端用橡皮塞密封，另一端由铁架台固定；电化学工作站的电化学数据通过数据线连接在电脑上显示，其特征在于，电化学过程中产生的氢气一部分从液体逸出，一部分吸附在液体中金属表面，但两者都会改变封闭空间内气体的体积和压强，通过记录U型管两侧液面刻度值，可计算不同时刻封闭容器内气体的体积和压强变化，从而进一步计算出不同时刻的析氢量，具体步骤如下：

1)记录实验开始时U型管左右管内液面刻度值，记为h_1l和h_1r，则实验开始时封闭玻璃杯容器内的气压p₁为：

P₁＝ρg(h_1r-h_1l)+P_atm；

其中：P₁——实验开始时封闭玻璃杯容器内的气压；

P_atm——大气压，P_atm＝10.1325N/cm²；

ρ——U型管内水的密度，ρ＝1g/cm³；

h_1l——实验开始时U型管左侧液面刻度值；

h_1r——实验开始时U型管右侧液面刻度值；

2)记录t时刻U型管左右管内液面刻度值，记为h_tl和h_tr，则t时刻封闭玻璃杯容器内的气压p_t为：

P_t＝ρg(h_tr-h_tl)+P_atm；

其中：P_t——t时刻封闭玻璃杯容器内的气压；

h_tl——t时刻U型管左侧液面刻度值；

h_tr——t时刻U型管右侧液面刻度值；

3)分别计算t时刻的V_tx和V_ty：

V_tx＝πr²(h_tr-h_1r)；

其中：V_tx——t时刻造成封闭玻璃杯容器内气体体积变化的析氢量；

V_ty——t时刻造成封闭玻璃杯容器内气体压强变化的析氢量；

v₁——实验开始时封闭玻璃杯容器内气体体积；

5)计算电化学反应过程产生的总的氢气量V：

V＝V_x+V_y；

其中：V_x——实验结束后造成封闭玻璃杯容器内气体体积变化的析氢量；

V_y——实验结束后造成封闭玻璃杯容器内气体压强变化的析氢量。

2.如权利要求1所述的一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法，其特征在于，所述工作电极，使用环氧树脂将试样固定在PVC管内，仅留工作表面暴露在电解质溶液中，参比电极为饱和甘汞溶液，对电极为铂箔。

3.如权利要求1所述的一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法，其特征在于，测量实验开始时封闭玻璃杯容器内气体体积v₁的方法如下：

v₁＝v₀-Δv；

Δv＝πr²(h_0r-h_1r)；

其中：v₀——实验结束后封闭玻璃杯容器内气体体积；

Δv——实验结束后封闭玻璃杯容器内气体增量；

h_0r——实验结束后U型管右侧液面刻度值。

4.如权利要求3所述的一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法，其特征在于，测量实验结束后封闭玻璃杯容器内气体体积v₀的排水法具体过程为：

1)利用针管通过密封玻璃杯容器杯盖上的密封圈向密封玻璃杯容器内注入定量液体水，直至密封玻璃杯容器和导管内的气体被全部压入到U型管内；

2)记录U型管左右两侧管内液面刻度值；

3)取出相同U型管注入定量液体水，直至管内左右液面与前U型管刻度值相同；

4)在注水过程中密封空间内的气体体积会发生变化，该变化极小，对后续计算误差可忽略不计；

5)计算注入新U型管内的水的体积，即v₀。

5.如权利要求1所述的一种在电化学测试时同步进行析氢量计算的方法，其特征在于，在电化学实验开始前要检查装置气密性，并保证密封玻璃杯容器内的初始气体体积小于U型管最大容量。