電気化学法によるステンレス鋼中の水素透過測定(ASTM G148)

水溶液中では、電気化学反応によって試料表面に水素原子が生成されます。水素の生成は、電気めっき、腐食、カソード防食など、さまざまな状況で見られます。生成された水素原子は試料材料の内部に浸透し、欠陥部位に蓄積して、亀裂の発生、腐食の誘発、試料の機械的特性の低下を引き起こす可能性があります。

そのため、水素発生とそれに続く試料内での拡散を調べることで、試料中の水素透過を測定することが重要です。

本アプリケーションノートでは、ASTM規格G148に記載された手順に従って水素透過実験を行います。

実験は、2つのチャンバーが両コンパートメント間で共有される作用電極によって隔てられたH型セルで行われました。

一方の側(すなわち「«充電側»」)では、作用電極表面で水素が生成されます。水素はもう一方の側(すなわち«酸化側»または«検出側»)で検出されます[1]。

水素透過実験は、Metrohm Autolab社のVIONIC powered by INTELLO装置2台を用いて行われました(図1)。

両方の装置が同じ作用電極を共有していたため、フローティングモード – 作用電極接地に設定されました。作用電極は物理的にはアースに接続されていませんでした。

一方の装置は、ガルバノスタティックモードで負の電流を印加し、試料上で水素を生成するために使用されました。もう一方の装置は、ポテンショスタティックモードで、透過した水素を酸化し、生じる透過電流を測定するために使用されました。

作用電極は、厚さ50 μmの316Lステンレス鋼箔でした。H型セルの各側に露出した面積は1.8 cm²でした。

充電側には、脱イオン水に1 mol/L HClを加えた酸性溶液を満たし、水素の生成と透過を促進するために、ヒ酸水素二ナトリウム七水和物(Na₂HAsO₄⋅ 7H₂O)を0.25 g/L添加しました[2]。対極にはMetrohm PT.SHEETを使用しました。参照電極は使用しませんでした。

酸化側には、0.1 mol/L NaOH水溶液(アルカリ性溶液)を満たしました。参照電極および対極として、Metrohm Ag/AgCl 3 mol/L KCl参照電極 とMetrohm PT.SHEET白金電極がそれぞれ使用されました。

いずれの溶液も脱気しませんでした。
 

手順は以下のステップで構成されました。

1. アルカリ性溶液を、電極とともに酸化側セルに加えます。
2. 酸化側セルで水素を検出する手順を開始します。ポテンショスタティックモードで、OCP(開回路電位)に対して+300 mVを印加します。記録される電流は、分極の緩和により減少します。
3. 酸化電流が安定したら、セルの充電側に酸性溶液を加え、充電手順を開始します。ガルバノスタティックモードで、作用電極に-1 mA/cm²の負(還元)電流を印加します。本実験では、-1.8 mAの電流を印加しました。

本アプリケーションノートでは、316Lステンレス鋼試料を対象とした、ASTM G148に準拠する水素透過の検討を紹介しました。

この研究は、いずれもフローティングモード – 作用電極接地で使用した、INTELLOを搭載したVIONIC 2台を用いることで実現しました。

本検討ではH型セルを使用し、作用電極を2つのコンパートメントで共有しました。一方の側では酸性溶液で水素を生成し、もう一方の側ではアルカリ性溶液で水素を検出しました。

水素の透過は、酸性溶液に添加したヒ酸水素二ナトリウム七水和物を用いて誘発しました。