阴极腐蚀防护是一种广泛应用的钢基基础设施防腐技术。ETH的研究人员现在已经阐明了所涉及的详细机制，从而解决了一个困扰工程界几十年的有争议的问题。

　　

　　严重腐蚀的钢制水管:红棕色的污渍是铁锈，当铁在水中与氧气发生反应时就会出现。(图片来源:Green Creator / AdobeStock)

　　阴极腐蚀防护被广泛应用，但其具体工作原理一直不清楚，专家们也存在争议。

　　ETH的研究人员提出了一种机制来解决这种明显的co早期假设和理论之间的矛盾。

　　这一发现在未来具有重要意义老化的基础设施的背景下，可以帮助提高防腐蚀和损害今天的有时ntradictory标准。

　　腐蚀是一种化学反应，即使是最坚固的结构也会受到腐蚀。像钢这样的金属与氧和水发生反应，继而生锈和腐烂。阴极保护在抗腐蚀方面起着关键作用。它通过减缓或防止导致腐蚀的过程来保护钢结构。

　　两个世纪前，阴极保护首次在英国的科学背景下被描述出来，此后在维护现代基础设施(如地下天然气管道和钢筋混凝土结构)方面发挥了重要作用。苏黎世联邦理工学院材料耐久性教授Ueli Angst说:“然而，尽管阴极保护被广泛使用，但其背后的基本工作原理仍然不清楚，而且存在争议。”

　　由Angst领导的一组研究人员现在在阐明其背后的原理方面取得了重大进展，特别是在土壤或混凝土等多孔介质中的钢。

　　他们的外部页面studycall_made发表在《自然通讯材料》杂志上，揭示了金属和多孔介质之间界面阴极腐蚀保护的复杂过程。为了说明这种相互作用，有必要看一下该方法背后的历史。

　　阴极腐蚀防护可以追溯到英国化学家和发明家汉弗莱·戴维爵士，他在两百多年前描述了这一原理。当时，英国皇家海军面临着一个问题:为了防止污垢和腐烂，他们在木制船体上覆盖了铜片，但铜质船体很快就受到了攻击，在咸海水中容易腐蚀。当时的英国皇家学会主席汉弗莱·戴维爵士以科学的名义开始寻找解决办法。

　　在意大利北部，路易吉·伽伐尼和亚历山德罗·沃尔塔最近发现了一种现象，当不同的贵金属结合在一起时，电流就会流动。受此启发，戴维能够在实验室中证明，锌或铁等贱金属的小样本可以保护相对较大的铜片免受腐蚀，即作为牺牲阳极并自我腐蚀。

　　1824年，英国皇家海军几乎直接将戴维的技术从实验室推广到整个舰队——事实证明，这太仓促了。虽然铜制船体现在可以防止腐蚀，但它们在防止海洋污染方面失去了效力:船只变得越来越重，几乎无法操纵。皇家海军不得不再次拆除阴极腐蚀保护，戴维的事件作为一个重要的失败教训被载入历史，这是由于过早地将知识转移到实践中。

　　“今天我们知道阴极保护电流有促进金属上矿物质沉积的副作用，这使得贻贝和其他海洋生物得以生长，”Angst说。尽管两个世纪前失败了，戴维的工作为后来的应用奠定了基础。

　　然而，又过了一百年左右，罗伯特·詹姆斯·库恩(Robert James Kuhn)才在美国复兴了这项技术，这次是为了使埋管更耐用。库恩的笔记表明，他在20世纪20年代对腐蚀过程的理解已经比戴维的时代好得多。库恩还在“现场”，即在现实生活条件下进行了广泛的测试系列。

　　

　　该技术已经发展成为一种标准的防腐蚀方法，今天可以确保水和天然气管道，储罐和船舶，以及桥梁和停车场具有更长的无腐蚀寿命。

　　然而，尽管阴极腐蚀防护在工程实践中得到了广泛的应用，但其潜在的作用机制仍然是一个有争议的话题。

　　几十年来，一直有两种相反的理论:一种是认为保护电流通过纯粹的动力学机制直接影响腐蚀的速度，另一种是认为它导致界面处介质的pH值增加，从而保护钢免受腐蚀——这一观点早在1928年就由库恩首先提出。

　　根据Angst的说法，缺乏一致的科学理解阻碍了健全工程实践的发展。一个例子是库恩在20世纪20年代提出的保护标准，今天仍在标准中使用，要求与饱和硫酸铜电极相关的电位为-850毫伏。“这是一个经验标准，”昂斯特说。

　　知识的不一致状态也意味着标准是相互矛盾的，并且在实践中并不总是可能同时满足所有相关的标准规范。Angst继续说道:“这在工程上是一个严重的问题，更令人担忧的是，阴极保护可以被认为是应对基础设施老化挑战的关键技术，并被用于高压天然气管道等安全相关系统。”

　　在他们的研究中，ETH的研究人员专注于钢和电解质之间的界面，并详细描述了空间和时间的变化。

　　他们第一次证明了在钢表面形成了一层薄薄的金属氧化膜，并表明这一层是由于电化学过程导致pH值增加的直接结果。

　　该研究的第一作者Federico Martinelli-Orlando补充说:“我们还能够证明，钢表面和电解质中的这些化学变化会导致阳极和阴极反应的速度和进展发生变化。”

　　研究人员提出了一种作用机制，解决了先前假设之间的明显矛盾，并以互补的方式将两种理论结合在一起。

　　Martinelli-Orlando说:“我们得出的结论是，为了充分解释阴极保护的工作机制，我们应该把这两种有争议的理论看作是互补的，而不是矛盾的。”

　　根据所进行的测量，研究人员开发了一个将所有电化学过程考虑在内的机械模型。

　　获得的一致理解可以帮助改进腐蚀防护技术，并以安全、经济和环保的方式运营关键的钢基基础设施。

　　结果随后可以“验证”现有的经验概念，并形成一致方法的基础，例如，为阴极腐蚀保护的有效性制定有充分根据的标准标准。

　　科学支持的防腐技术目前发挥着重要作用，特别是在基础设施老化的背景下，因为它们可以延迟或阻止旧结构的更换。“如果我们避免不必要的拆除和更换结构，这最终也有利于环境，”Angst说。

　　该出版物是欧洲研究委员会(ERC)的Horizon2020研究计划支持的一个关于腐蚀和老化基础设施的大型研究项目的一部分。(外部pagehttps: / / cordis.europa.eu /项目/ id / 848794 call_made)

　　Martinelli-Orlando F, Mundra S, Angst UM。多孔介质中钢铁的阴极保护机理。通讯材料5,15(2024)。Doi: external page10.1038/s43246-024-00454-ycall_made

　　焦虑嗯。钢在混凝土中阴极保护的科学与工程研究进展[j] .材料工程学报，2016(4):444 - 444。Doi: external page10.5006/3355call_made

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