Es ist mit bloßem Auge leicht zu erkennen, dass es zu Rost führen kann, wenn alte Nägel im Regen liegen. Mikroskope und Spektroskopie Scharfe Augen und scharfe Nasen sind gefragt, um zu beobachten, wie Eisen korrodiert und neue Mineralien bildet, insbesondere in Wasser mit geringen Mengen an Natrium und Kalzium.

Dank einer neuen Technik, die von Chemikern der Michigan Technological University entwickelt wurde, können die Anfangsstadien des Prozesses durch Oberflächenanalysen genauer untersucht werden. Das Team wird von Kathryn Perrine, Assistenzprofessorin für Chemie, geleitet und hat kürzlich ihre neueste Arbeit im Journal of Physical Chemistry A veröffentlicht.

Das Hauptergebnis des Teams ist, dass die Kationen in der Lösung – positiv geladene Natrium- oder Kalziumionen – die Art des Karbonatfilms beeinflussen, der an der Luft wächst, der aus Luftsauerstoff und Kohlendioxid besteht. Durch die allmähliche Einwirkung von Sauerstoff und Kohlendioxid entsteht ein kationenspezifischer Karbonatfilm. Eisenhydroxide verschiedener Formen und Formen werden der Luft nicht allmählich ausgesetzt und sind nicht kationenspezifisch.

Ein besseres Verständnis dieses Prozesses und der Mineralbildungsrate eröffnet Möglichkeiten zur Überwachung der Kohlendioxidabscheidung, von Nebenprodukten der Wasserqualität und zur Verbesserung des Infrastrukturmanagements alter Brücken und Pipelines.

Methodik wird interdisziplinär

Obwohl Rost und verwandte Eisenminerale ein bekannter Bestandteil des Lebens auf der Erdoberfläche sind, ist die Umgebung, in der sie entstehen, sehr komplex und vielfältig. Rost besteht normalerweise aus Eisenoxid und Eisenhydroxid, aber Korrosion kann auch zur Bildung von Eisenkarbonat und anderen Mineralien führen. Für jede Form ist es schwierig, die besten Bedingungen zu verstehen, um sie zu verhindern oder zu wachsen. Perrine zeigt am Beispiel großer Umweltthemen wie der Flint Water Crisis, wie einfache Dinge wie Rost leicht in komplexere und unwillkommenere Folgereaktionen geraten können.

Wir wollen chemische Reaktionen in realen Umgebungen messen und aufdecken“, sagte Perrine und fügte hinzu, dass ihr Team der Oberflächenchemie, dünnen Schichten und Filmen, die mit Wasser, Metall und Luft interagieren, besondere Aufmerksamkeit schenke. „Wir müssen sie in unserer Analyse verwenden Werkzeuge Ein hohes Maß an [Oberflächen]-Empfindlichkeit, um die richtigen Informationen zu erhalten, damit wir wirklich sagen können, was der Oberflächenmechanismus ist und wie sich [Eisen] verändert.

Die Oberflächenwissenschaft von Forschungsmaterialien ist interdisziplinärer Natur. Von den Materialwissenschaften bis zur Geochemie, vom Bauingenieurwesen bis zur Chemie sieht Perrine ihre Arbeit als Brücke, um anderen Disziplinen zu helfen, ihre Prozesse, Modelle, Interventionen und Innovationen besser zu informieren. Aus diesem Grund erfordert die Forschung ihres Teams hohe Präzision und hohe Sensibilität.

Obwohl es andere Methoden zur Überwachung von Oberflächenkorrosion und Filmwachstum gibt, verwendet Perrines Labor eine Methode der Oberflächenchemie, mit der andere Reduktions- und Oxidationsprozesse in komplexen Umgebungen analysiert werden können. In einer Reihe von Veröffentlichungen überprüften sie ihren dreistufigen Prozess – die Bewertung von Änderungen der Elektrolytzusammensetzung und die Verwendung von Sauerstoff und Kohlendioxid in der Luft als Reaktanten, um die Echtzeitbeobachtung verschiedener Mineralien in Luft-Flüssigkeit-Feststoff an der Grenzfläche zu beobachten.

Genaue Messung ist die molekulare Linse der Beobachtung der Chemie

Die vom Team verwendeten Analysetechniken sind oberflächensensitive Technologien: Polarisationsmodulierte Infrarot-Reflexions-Absorptionsspektroskopie (PM-IRRAS), abgeschwächte Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarot-(ATR-FTIR)-Spektroskopie, Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) und Rasterkraftmikroskopie (AFM).

"Spektrum sagt uns chemische Eigenschaften; Mikroskop sagt uns physikalische Veränderungen", sagte Perrine. "[Echtzeit mit AFM] [imaging] Diese Korrosionsexperimente sind wirklich schwierig, weil sich die Oberfläche ständig ändert und sich die Lösung während des Korrosionsprozesses ändert."

Was das Bild zeigt, ist eine Reihe von Lochfraß, Kauen und Oberflächenverschlechterung, die als Korrosion bezeichnet wird und Nukleationsstellen für das Wachstum von Mineralien schafft. Der Schlüsselteil besteht darin, die Anfangsphase als Funktion der Zeit zu beobachten.

„Wir können Korrosion und Filmwachstum im Laufe der Zeit beobachten. Calciumchlorid [Lösung] neigt dazu, die Oberfläche schneller zu korrodieren, weil wir mehr Chloridionen haben, aber auch Karbonate werden schneller gebildet“, sagte Perrine. Und fügte dies in dem in ihrem Labor aufgenommenen Video hinzu , können Sie sehen, wie die Natriumchloridlösung allmählich die Eisenoberfläche korrodiert und beim Trocknen weiter rostet.

Da Eisen im Umweltsystem allgegenwärtig ist, fügt sie hinzu, dass die Verlangsamung und genaue Beobachtung der Bildung von Mineralien eine Anpassung der Variablen erfordert, wie es sich in verschiedenen Lösungen umwandelt und der Luft ausgesetzt ist.

Die Oberflächenkatalysemethode des Teams hilft Forschern, grundlegende Umweltwissenschaften und andere Arten von Oberflächenprozessen besser zu verstehen. Es besteht die Hoffnung, dass ihre Methoden dazu beitragen können, die Mechanismen zu entdecken, die die Wasserverschmutzung verursachen, Wege zur Reduzierung von Kohlendioxidemissionen zu finden, den Einsturz von Brücken zu verhindern, zu intelligenteren Designs und saubereren Kraftstoffen zu inspirieren und ein tieferes Verständnis der geochemischen Prozesse zu ermöglichen.

Link zu diesem Artikel: Wie kommt es zu Metallkorrosion?

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