氢渗透电解池被成功地用于评估氢气通过薄片或薄膜的渗透情况。氢渗透电解池由两个电化学隔室组成，隔室之间由薄片隔开，薄片在两个电解池中都充当工作电极（WE）。
通过施加电位或恒定电流在阴极池产生氢气（H2）。氢气通过样品（即薄片或膜）扩散，在阳极池中通过施加恒定电位对氢气进行电化学检测 [1]。阳极电流与渗入样品的氢量成正比。
氢气通过薄片或薄膜的量很小，因此需要非常灵敏的恒电位仪来检测。此外，由于两个电解池共用同一个WE，因此使用了两个独立的浮地模式通道，并进行了电隔离。本应用报告在考虑仪器要求的同时，还讨论了不同样品的氢渗透特性。
氢瞬态曲线的稳态渗透电流（JSS）能够提供关于阴极侧表面（C0）氢原子的次表层浓度信息：
其中，JSS是稳态时的氢原子渗透量，A是样品在阳极池中的暴露面积，F是法拉第常数，D1是氢原子的晶格扩散系数，C0是在阴极侧测量的氢的次表层浓度，L是样品的厚度。
当只考虑可逆的捕获效应，并且渗透过程可以用菲克第一扩散定律来描述时，那么：
其中 Deff 是氢原子的有效扩散系数。这一特征参数可通过三种不同的方法计算得出。
1、当氢原子的归一化通量（J(t)/JSS）等于 0.63 时，可考虑使用延时（tlag）法方程：
2、突破时间（tb）法，计算基于以下公式：
3、斜率法，可以根据 log(|JSS-J(t)|) 与 1/t 的关系曲线的斜率计算
该电化学实验使用μStat-i MultiX多通道电化学工作站（图1）进行。在浮地模式下，氢渗透实验需要电隔离。在 μStat-i MultiX中，每四组通道都有一个电隔离选项。
氢渗透电解池由两个电化学隔室（250 毫升）和聚四氟乙烯帽组成，聚四氟乙烯帽上有不同直径的孔，适用于各种电极。该电解池的暴露面积为 1.77 平方厘米（直径 1.5 厘米）。
在阴极池中，使用了铂辅助电极和银/氯化银参比电极。阳极池使用钢制辅助电极和 银/氯化银参比电极。氢渗透电解池的两个隔室使用相同的工作电极（WE），即 2 毫米厚的铁板。
DropView 8400M 是专业电化学测试软件，包括用于分析氢渗透实验的专用工具。
为了去除铁样品中已经存在的氢，在进行实验之前，金属片要在 80 ºC 下预处理过夜。
阴极池充入 0.1 mol/L HCl 和 0.2 g/L As2O3 作为氢前驱体，而阳极池则使用 0.1 mol/L NaOH。氢渗透研究包括以下步骤：
1.首先在阳极池中施加0.30 V 电压进行安培检测。
2.观察阳极池中电流的衰减。衰减时间取决于被测样品。
3. 一旦阳极池中测得的电流接近 0 μA，则在阴极池中进行阴极极化。根据 ASTM G148 [1]，瞬时电流设为 -1 mA/cm2。本应用报告中的实验采用了 -1.8 mA 的电位检测。
根据薄片的特性（如成分、结构、孔隙率等），检测通过 WE 的氢通量需要不同的时间。
4. 为了进行衰减瞬态分析，阴极池中电化学制氢被停止，阳极池继续进行安培测量。
可重复步骤 3 和 4 以分别产生连续的充氢瞬态和衰减瞬态。
使用上述过程评估两个2 mm厚的铁片。图2显示了这些样品的充氢和衰减瞬态。
根据每个样品的特性，可获得不同的电化学曲线。例如，橙色样品记录的电流较大，氢扩散率最高。另一蓝色样品则电流较低，较低的渗透率也造成了氢气传输出现延迟。
实验结果使用 DropView 8400M 中的氢渗透模块进行分析。本次仅对样品2的渗透情况进行说明。
1. 选择电化学曲线，点击数据分析下拉菜单中的 "H2 Permeation"（图 3）。然后选择 "Analysis "选项。
2. 输入实验中样品的厚度和暴露面积（图4）。点击«Calculate»计算样品相关特征参数。
3. 软件提示选择两个数据点：第一个在充氢瞬态开始之前，第二个在达到稳定状态时（图5）。
4. 系统自动计算出不同的参数，例如氢原子的有效扩散率（Deff）、阴极侧氢原子的次表面浓度（C0）以及达到氢原子的归一化通量值（J（t）/JSS）= 0.63（tlag）的时间（图6）。
5. 在图7中，除了原始曲线（蓝色）外，还绘制了两条额外的曲线：«CalcFlux»（红线）对应于应用的算法，«NormFlux»（黑线）与归一化的氢通量（副轴）相关。
结果可以通过选择«CalcFlux»和"H2 Permeation"中的«View results»查看
表1 从充氢瞬态中获得的特征参数
| Sample | Deff (cm2/s) | C0 (mol/m3) | tlag (s) |
|---|---|---|---|
| 1 | 1.35 × 10-5 | 4.231 | 500 |
| 2 | 1.11 × 10-5 | 3.136 | 600 |
本应用报告介绍了使用瑞士万通DropSens μStat-i MultiX多通道电化学工作站根据ASTM G148进行氢渗透实验。
μStat-i MultiX允许用户在一台仪器中同时使用多达8个氢渗透电解池进行多组氢渗透实验。
本研究中使用的氢渗透电解池由两个隔室组成：产生氢气的阴极池和检测用的阳极池，用于检测通过工作电极渗透的氢气。
DropView 8400 M软件包括用于分析这些实验的功能。氢渗透模块可以轻松快速地拟合氢气瞬变过程，并自动计算实验参数，如有效扩散率和氢气浓度。
- ASTM International. Standard Practice for Evaluation of Hydrogen Uptake, Permeation, and Transport in Metals by an Electrochemical Technique; ASTM G148-97(2018); ASTM International, 2018. DOI:10.1520/G0148-97R18