Введение к работе
Актуальность работы. В машиностроении задача снижения вредного воздействия водорода на физико-механические свойства металлов и сплавов может быть решена при условии значительного углубления наших знаний, прежде всего, по вопросам теории и экспериментального изучения механизма и кинетики реакции выделения водорода на различных металлах и их соединениях. В то же время актуальной остается и проблема снижения экономических потерь от коррозии металлов и материалов при их эксплуатации в агрессивных кислых средах. Научно-обоснованный поиск новых электродных материалов различного функционального назначения является одним из эффективных направлений в данной области. Перспективными в этом плане оказываются металлоподобные соединения различного состава, многие из которых обладают уникально высокой коррозионной стойкостью и низким перенапряжением водорода. Силициды, обладая важными технологическими свойствами, находят также самостоятельное применение в некоторых новых областях современной техники. Силициды представляют значительный интерес как прямозонные полупроводники в оптоэлектронике, являются важнейшими продуктами ферросплавных производств, широко используются при легировании сталей, для изготовления кислотоупорных изделий, применяются в качестве источников альфа-излучения в альфа-протон-рентгеновских спектрометрах (APXS) и т.д. Особенно перспективным представляется использование силицидов переходных металлов при массовом производстве термогенераторов из-за их высокого КПД, дешевизны исходных компонентов и т.д. Это могут быть генераторы для катодной защиты газо- и нефтепроводов от коррозии, бытовые автономные термоэлектрические источники и т.д. Легирование металлов кремнием существенно повышает их химическое сопротивление, особенно в кислых окислительных средах. Вместе с тем, в ряде исследований было обнаружено, что коррозионная стойкость систем Ме-Si в значительной мере зависит от содержания Si и состава агрессивной среды.
Цель работы: определение основных закономерностей кинетики катодного выделения водорода на силицидах металлов группы железа и составляющих их компонентах в кислых электролитах различного состава и оценка влияния внешних и внутренних факторов на реакцию выделения водорода.
Задачи работы:
-
Выполнить комплексное исследование реакции выделения водорода на силицидах металлов группы железа и составляющих их компонентах в растворе серной кислоты.
-
Оценить влияние на катодное поведение силицидов металлов подгруппы железа в сернокислом электролите некоторых внешних факторов, таких как, pH раствора, температуры и деаэрации электролита, добавок поверхностно-активных органических веществ и галоидных ионов.
-
Определить влияние внутренних факторов – количественного соотношения компонентов в силициде, способа изготовления электродов, влияние неметаллического компонента, анодной обработки поверхности силицидов с различным содержанием металлического и кремневого компонента на кинетику катодного выделения водорода в кислых электролитах.
Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование кинетики катодного выделения водорода на силицидах металлов группы железа в кислых электролитах различного состава. Установлены основные закономерности катодного процесса в зависимости от состава силицида и способа изготовления электрода. Определено влияние внешних факторов на реакцию выделения водорода на силицидах металлов триады железа.
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы работниками исследовательских лабораторий промышленных предприятий для разработки новых катодных материалов с высокой коррозионной стойкостью и низким перенапряжением выделения водорода. Их целесообразно использовать для прогнозирования коррозионного поведения металлоподобных соединений в кислых электролитах в зависимости от внешних и внутренних факторов, а также в процессе разработки и чтения специальных курсов по вопросам коррозии металлов и металлоподобных соединений и электрохимии студентам высших учебных заведений естественно-научных и технических специальностей.
Автор защищает:
– экспериментальные данные о закономерностях реакции выделения водорода на силицидах металлов группы железа и эвтектических сплавах на их основе в растворе серной кислоты;
– особенности реакции катодного выделения водорода на силицидах металлов подгруппы железа в кислых сульфатных растворах при влиянии добавок галоидных ионов, температуры и деаэрации электролита, pH раствора;
– влияние способа изготовления электрода и анодной обработки поверхности на скорость катодной реакции;
– результаты влияния различного количественного соотношения компонентов в силициде и влияние неметаллического компонента на кинетические характеристики реакции выделения водорода.
Апробация работы. Основные положения, результаты и выводы диссертационной работы были представлены на: Международной научной конференции «Молодежь и химия», Красноярск, 2002 и 2004гг.; научной конференции молодых ученых, студентов и аспирантов, Пермь, 2002г.; на X научно-технической конференции «Проблемы химии и химической технологии», Тамбов, 2003г.; научно-практической конференции «Теория и практика электрохимических технологий. Современное состояние и перспективы развития», УПИ, Екатеринбург, 2003г.; на VIX Российской научной конференции «Проблемы теоретической и экспериментальной химии», Екатеринбург, 2004 и 2006гг.; Всероссийской научной конференции молодых ученых и студентов «Современное состояние и приоритеты развития фундаментальных наук в регионах», Краснодар, 2004 и 2006гг.; Всероссийской конференции «Химия твердого тела и функциональные материалы», Екатеринбург, 2004г.; на XLIII Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс», Новосибирск, 2005 и 2006гг.; Международной конференции молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2006», Москва, 2006г.; второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности», Санкт-Петербург, 2006г.; III Всероссийской конференции «Физико-Химические процессы в конденсированном состоянии и на межфазных границах» («ФАГРАН-2006»), Воронеж, 2006г.
Публикации. Содержание диссертации опубликовано в 22 печатных работах, в том числе в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций.
Объем работы. Диссертация содержит 172 страницы машинописного текста, в том числе 103 рисунка, 8 таблиц и состоит из введения, четырех глав и выводов. Список цитированных источников включает 149 наименований работ отечественных и зарубежных авторов.
