Die Tafel-Analyse ist eine wichtige elektrochemische Technik, die zum Verständnis der Reaktionskinetik eingesetzt wird. Die Untersuchung der Tafelsteigung gibt Aufschluss über die geschwindigkeitsbestimmenden Schritte bei Elektrodenreaktionen und hilft so in Bereichen wie bspw. der Korrosion und Brennstoffzellenforschung. Diese Methode hilft der Industrie, Prozesse zu optimieren und die Leistung von Geräten zu verbessern, indem Materialien und Bedingungen hinsichtlich einer höheren Effizienz angepasst werden. 
 
Im Bereich der Korrosion bietet die Tafel-Analyse Einblicke in die Korrosionsgeschwindigkeit und -mechanismen verschiedener Metalle in unterschiedlichen Umgebungen. Durch die Untersuchung der Tafelsteigung können Forscher den Polarisationswiderstand und die Korrosionsrate sowie den Korrosionsstrom und das Korrosionspotential bestimmen, um so Aufschluss über die Wechselwirkung zwischen Materialien und ihrer Umgebung zu erhalten. Diese Analyse hilft der Industrie bei der Auswahl geeigneter Beschichtungen, Inhibitoren und Materialien, um die Korrosion zu mindern, die Lebensdauer von Strukturen zu verlängern und die Beständigkeit von Metallkomponenten in schwierigen Umgebungen zu gewährleisten.

Diese Application Note veranschaulicht die Tafel-Analyse mittels der Software INTELLO anhand Aluminium in künstlichem Meerwasser. 

Für diese Studie wurde eine 250-mL-Korrosionszelle mit einem 3-Elektrodenaufbau konstruiert. Als Elektroden wurde eine Ag/AgCl-Referenzelektrode zusammen mit zwei stabförmigen Gegenelektroden aus rostfreiem Stahl eingesetzt. Eine auf einem Probenhalter montierte Aluminiumscheibe diente als Arbeitselektrode, als Elektrolyt wurde künstliches Meerwasser (3,5 % NaCl) verwendet. 
 
In der Software INTELLO wurde die Standardprozedur “Lineare Polarization (Tafel analysis)" gewählt. Zunächst wurde eine Messung des Leerlaufpotentials (OCP) durchgeführt, und dann -30 mV vs. OCP angelegt. Anschließend erfolgte ein linearer Sweep bis +20 mV gegen das OCP bei einer Abtastrate von 50 mV/s..

Das Ergebnis des linearen Polarisationsexperiments (J vs. E) ist in Abbildung 1 dargestellt. Beachten Sie, dass standardmäßig der normalisierte Strom (Stromdichte) aufgetragen wird.

Tafel-Diagramm, Log(I) gegen E, ist ebenfalls in Abbildung 2 dargestellt.

Bei Auswahl des Befehls “Tafel analysis” kann die Dichte der Probe, ihr Äquivalentgewicht und die Fläche eingegeben werden (Abbildung 3). Wenn diese Variablen bereits bekannt sind, können sie auch vor Beginn des Experiments im Fenster “Main parameters” hinzugefügt werden.

Um innerhalb des Fensters “Tafel analysis” eine Korrosionsanalyse zur Bestimmung der Korrosionsrate durchzuführen, müssen die linearen Bereiche der anodischen und kathodischen Seite des Tafel-Diagramms festgelegt werden. Dies geschieht mit Hilfe von vier Markierungen: jeweils zwei für die anodische und die kathodische Seite. Diese Markierungen definieren die Linien (Bereiche) für die linearen Regressionen gemäß der weiter untenstehenden Tafel-Gleichungen.

Sobald die Regionen ausgewählt sind, erscheinen die linearen Regressionen im Diagramm. Die Positionen können durch Ziehen der Markierungen auf neue Positionen im Diagramm angepasst werden. Das Korrosionspotential und der Korrosionsstrom entsprechen den X- bzw. Y-Koordinaten des Schnittpunkts der beiden Regressionslinien (Abbildung 4).

Die Ergebnisse der Korrosionsanalyse sind in Abbildung 5 aufgeführt. Die Tafel-Analyse ermöglicht somit eine schnelle Abschätzung der Korrosionsrate und des Polarisationswiderstands.

Die Korrosionsrate (R_M, mm/Jahr) wird mittels der folgenden Gleichung unter Verwendung des Korrosionsstroms _icorr  berechnet.

3.17E - 9 : Umrechnungsfaktor von 𝑐𝑚 𝑠^-1 auf 𝑚𝑚 𝑦𝑒𝑎𝑟-1
𝑀 (𝑔 𝑚𝑜𝑙^-1): Atomgewicht der Probe
𝑛: Anzahl der bei der Reaktion ausgetauschten Elektronen
p (𝑔 𝑐𝑚^-3): Dichte der Probe
F (96485 𝐶 𝑚𝑜𝑙^-1): Faraday-Konstante
A (𝑐𝑚²): Fläche der Probe

Das Verhältnis 𝑀/𝑛 wird auch als Äquivalentgewicht bezeichnet.

Zur Berechnung von  _icorr wird die Butler-Volmer-Gleichung verwendet, wie hier dargestellt.

𝑖_{𝒄𝒐𝒓𝒓}: Korrosionsstrom (d. h. die Geschwindigkeit des Ladungstransfers am Korrosionspotential 𝐸_{𝒄𝒐𝒓𝒓})
2.303: Umrechnungsfaktor zwischen 𝑙𝑜𝑔 und 𝑙𝑜𝑔_e und 𝑙𝑜𝑔₁₀
η (𝑉): Überpotential, definiert als Differenz zwischen angelegtem Potential E und dem Korrosionspotential E_corr
b_𝒂 (𝑉): Tafelsteigung des anodischen Zweigs
b_c (𝑉): Tafelsteigung des kathodischen Zweigs

Bei großen anodischen Überspannungen

vereinfacht sich die Butler-Volmer-Gleichung zur Tafel-Gleichung für die anodische Reaktion: 

Analoges gilt für große kathodische Überspannungen,

Die Tafel-Gleichung für die kathodische Reaktion lautet:

Die Tafel-Gleichungen ergeben einen linearen Zusammenhang zwischen dem Logarithmus des Stroms und dem Potential. Daher werden Ströme häufig in halblogarithmischen Diagrammen, den so genannten Tafel-Diagrammen, dargestellt.

Bei der Auswahl der linearen Bereiche für die Analyse der Tafelsteigerung ist Vorsicht geboten. Eine korrekte Schätzung der Tafelsteigungen ist nur möglich, wenn der lineare Tafelbereich (die schattierten Bereiche zwischen jedem Markierungspaar in Abbildung 3) mindestens eine Stromdekade abdeckt.

In bestimmten Fällen ist die Analyse der Tafelsteigung nicht möglich. Beispielsweise wenn die Reaktanten unter Diffusionskontrolle daran gehindert werden, die Probenoberfläche zu erreichen (z. B. in stagnierenden Lösungen). Infolgedessen findet die kathodische Reaktion nicht statt, was zu b_c = ∞. führt.

Ähnlich verhält es sich bei der Passivierung, bei der die Oberfläche der Probe mit einer Schutzschicht überzogen wird. Dadurch wird das Auftreten der anodischen Reaktion verhindert, was zu b_a = ∞. führt.

In dieser Application Note wird ein Beispiel für ein lineares Polarisationsexperiment an einer Aluminiumscheibe in künstlichem Meerwasser gezeigt. Eine Tafel-Analyse wurde mit INTELLO durchgeführt, um unter anderem den Korrosionsstrom, den Polarisationswiderstand und die Korrosionsrate zu ermitteln.

VIONIC powered by INTELLO ist eine leistungsstarke Kombination für die Korrosionsanwendung, mit Hardware-Merkmalen wie einer hohen Klemmspannung (bis zu 50 V) und wählbaren Floating-Modi. INTELLO bietet eine schnelle, intuitive Schnittstelle für die Tafel-Analyse mit Optionen, die auch Batch-Analysen für einen höheren Probendurchsatz ermöglichen.

Laden Sie hier die Datei zur linearen Polarisation (Tafel-Analyse) herunter