第四章 實驗內容
4.2 實驗分析儀器
4.2.2 電化學分析(Electrochemical Analysis)
在本研究中，吾人利用CHI 627D 此種型號儀器之 Tafel plot 來進行 電化學分析，分析條件為分析範圍-2.0V 到 2.0V，掃描速率為 5 mV/s，
分析面積為直徑1 公分之圓與分析溶液接觸，分析溶液為 0.1 M NaOH，
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設備裝置如下圖。
圖4-2 電化學裝置示意圖
4.2.2.1 塔弗極化曲線測試法 (tafel polarization curces)
常用的抗腐蝕量測方法有鹽霧實驗與極化曲線測量方法(簡稱 Tafel plot)等，其中 Tafel plot 方法係在電化學中將電極電位偏離平衡值的現象 稱為電極極化，分別針對陰極極化曲線(Cathodic polarization)與陽極極化 曲線 (Anodic polarization)進行分析，陰極極化曲線代表的是氫離子的還 原反應；陽極極化曲線則是金屬基材的氧化反應，兩曲線在最相近的點 稱為腐蝕電位，如圖 4-3 所示，其反應如下：
陰極：2H+ + 2e-→H2
陽極：M →Mn+ + ne-
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圖4-3 Tafel plot 示意圖[25]
塔弗外插法(Tafel extrapolation)是在腐蝕電位± 50 mv 區域附近，分 別在陰極及陽極曲線上得到一線性區域，稱為塔弗直線區(Tafel region)8， (η= a + b log i)，陰極與陽極極化曲線的塔弗直線曲求得斜率 βa與 βc切 線，兩條切線相交於一點，此點對應於X 軸之數值，即為腐蝕電流(Icorr)，
可代表腐蝕速率，同時可藉由βa、βc及Icorr求得極化電阻(Rp)。
鍍層的抗腐蝕能力，主要是由腐蝕電位(Ecorr)、腐蝕電流(Icorr)及極化 電阻(Rp)三方面數值進行判斷。腐蝕電位的大小代表金屬發生離子化的化 學反應能力，腐蝕電位越偏正值代表較難以被腐蝕，金屬氧化的速率越 慢，腐蝕電位越偏負值則反之。腐蝕電流的大小代表腐蝕反應的快慢，腐 蝕電流越低，反應越慢，抗腐蝕能力越好，而電流越高則反之。其中電流 密度與極化電阻則是呈現反比的關係。
在一般的腐蝕情況下，根據電化學反應動力學如式：
I = I0 e(2.3(E-E0)/β)
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I 為此反應所得之電流，I0為反應常數，稱為交換電流，E 為電極電 位，E0為平衡電位(隨反應不同而不同)，β 為反應塔弗常數(隨反應不同而 不同)。上列式為一半反應方程式，在腐蝕系統中，有兩個相反的半反應，
分別是陽極(anodic)半反應以及陰極(cathodic)半反應，將兩個半反應結合 可以得到式：
I = Ia + Ic = Icorr(e(2.3(E-Eoc)/βa) - e(2.3(E-Eoc)/βc) )
I 為量測電流，Icorr為腐蝕電流，E 為電極電位，Eoc為腐蝕電位，而 βa及βc則為陽極、陰極的 Tafel 常數。可以預期當 E 等於 Eoc時，電流為 0；而在越接近 Eoc時，電流為兩指數之總和；與 Eoc差距愈大時，其中一 項指數則可以忽略。E 接近 Eoc時，此公式的電流與電壓曲線接近於直線，
此直線之斜率的單位為歐姆(ohm)，所以斜率又稱為極化電阻(Rp)，Rp可 以結合Tafel 常數求得估計的腐蝕電流。將式展開後，可以得到式：
Icorr = (βaβc ) / (2.3Rp(βa +βc))
在低電流時，電壓與電流的對數有塔弗公式的線性關係，而在電流 更低時，大約在腐蝕電位± 10 mv 的範圍內，外加電壓與電流密度也會呈 現性關係，由此可求得腐蝕電流(Icorr)。
而將電化學公式：電壓 = 電流×電阻，代入可得到式：
Rp = △E/△I = (βaβc ) / (2.3Icorr(βa +βc)) 腐蝕速率可以從Faraday's Law 求得：
Q = nFM
Q 為反應物參與反應的總電荷量，n 為每個分子參與反應的電子數，
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F 為 Faraday's 常數，M 為反應物反應的莫耳數。假設反應了 W 重量，反 應物之原子量為m，即可將 M = W/m 代入式，
W = Qm / nF
同時，Q = IT，I 為電流，T 是時間，可以得到此式：
CR = (Icorr × K × m) / (d × A × n)
CR 為腐蝕速率，K 為定義 CR 單位之常數，d 為密度，A 為反應面 積。