硝酸根插层水滑石的制备及其对钢筋的阻锈行为

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.250027

摘要/Abstract

摘要：

传统阻锈剂易分解、时效性差且易污染环境等，本文通过共沉淀法制备硝酸根（NO $3 -$ ）插层水滑石（LDHs-NO₃），系统探究其对氯离子的吸附特性及钢筋腐蚀防护机制。采用X射线衍射（XRD）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）和扫描电子显微镜（SEM）等手段对LDHs-NO₃结构进行表征，结合电化学阻抗谱（EIS）与拉曼光谱分析钝化膜演化规律。结果表明： LDHs-NO₃已成功合成，层间距为0.87 nm，其在pH＜7或pH＞13条件下呈现显著的结构稳定性劣化，而在中性至弱碱性环境（pH 7~13）中稳定性较好； LDHs-NO₃通过离子交换作用实现对氯离子（Cl?）的吸附，其对Cl?最大吸附量达17.90 mmol/g； LDHs-NO₃通过“Cl?吸附-NO $3 -$ 缓释”协同作用，将钢筋腐蚀的Cl?浓度阈值从0.02 mol/L提升至0.1 mol/L。拉曼光谱与SEM分析表明，LDHs-NO₃可调控钝化膜中γ-Fe₂O₃含量，释放出的NO $3 -$ 能够在钢筋表面形成致密钝化膜，有效延缓钢筋锈蚀。

关键词: 水滑石, 阻锈机理, 钢筋锈蚀, 氯离子吸附

Abstract:

Aiming at the problems of easy decomposition， poor timeliness， and environmental pollution of traditional corrosion inhibitors， nitrate （NO $3 -$ ） intercalated hydrotalcite （LDHs-NO₃） was prepared by the co-precipitation method， and its adsorption characteristics of chloride ions and corrosion protection mechanism of steel bars were systematically investigated. The structure of LDHs-NO₃ was characterized by X-ray diffraction （XRD）， Fourier transform infrared spectrometer（FT-IR）， and scanning electron microscopy （SEM）， and the evolution of passive film was analyzed by electrochemical impedance spectroscopy （EIS） and Raman spectroscopy. The results show that LDHs-NO₃ has been successfully synthesized， and the interlayer spacing is 0.87 nm. It exhibits significant structural stability degradation at pH＜7 or pH＞13， and has good stability in neutral to weakly alkaline environments （pH 7~13）. LDHs-NO₃ achieved the adsorption of chloride ions through ion exchange， and the maximum adsorption capacity of Cl? was 17.90 mmol/g. The synergistic effect of LDHs-NO₃ adsorption NO $3 -$ slow release increased the Cl? threshold of steel corrosion from 0.02 to 0.1 mol/L. Raman spectroscopy and SEM analysis showed that LDHs-NO₃ could regulate the content of γ-Fe₂O₃ in the passivation film， and the released NO $3 -$ could form a dense passivation film on the surface of the steel bar， effectively delaying the corrosion of the steel bar.

Key words: Layered double hydroxides, Inhibition mechanisms, Steel corrosion, Chloride ion adsorption

中图分类号:

O643.3

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图/表 11

图1 LDHs-NO3的XRD（A）和FT-IR（B）谱图

Fig.1 （A） XRD and （B） FT-IR patterns of LDHs-NO3

图2 LDHs-NO3的SEM图

Fig.2 SEM image of LDHs-NO3

图3 LDHs-NO3在不同pH值中浸泡30 d的溶解量

Fig.3 Dissolution of LDHs-NO3 soaked in different pH for 30 d

图4 氯离子的吸附等温线

Fig.4 Adsorption isotherm of chloride ion

图5 LDHs-NO3-Cl的XRD谱图

Fig.5 XRD patterns of LDHs-NO3-Cl

图6 上清液中的NO3-浓度

Fig.6 NO3- concentration in the supernatant

图7 LDHs-NO3-Cl的SEM图

Fig.7 SEM image of LDHs-NO3-Cl

图8 （A）空白组和（B）实验组SCPs中钢筋的EIS谱图(A) Blank group; (B) Test group

Fig.8 Electrochemical impedance spectroscopy （EIS） of steel bar in SCPs

图9 ESI的等效电路模型

Fig.9 Equivalent circuit model of ESI

表1 SCPs中钢筋的电化学阻抗谱拟合结果

Table 1 Fitting results of electrochemical impedance spectroscopy of steel bars in SCPs

No.	c（Cl^-）/（mol·L^-1）	R_s/（Ω·cm²）	R_f/（kΩ·cm²）	10⁵Q_f/（μF·cm²）	n_f	R_ct/（kΩ·cm²）	10⁵Q_dl/（μF·cm²）	n_dl
Blank group	0	23.18	47.65	3.47	0.841	486.35	3.42	0.871
	0.01	22.35	23.94	3.66	0.936	377.24	3.59	0.925
	0.02	21.24	5.68	2.79	0.967	11.26	3.88	0.949
Test group	0	48.23	148.32	3.64	0.921	738.52	3.84	0.924
	0.02	45.61	223.65	3.23	0.914	1142.16	3.35	0.932
	0.04	40.98	287.42	3.48	0.963	1286.35	3.11	0.958
	0.06	39.44	332.96	3.51	0.943	1324.27	3.24	0.946
	0.08	34.88	259.87	3.17	0.827	528.67	3.29	0.933
	0.1	23.67	14.33	3.42	0.886	16.83	3.44	0.927

图10 钢筋表面（A）Raman谱图、（B）空白组和（C）实验组SEM图

Fig.10 （A） Raman spectra，（B） blank group and （C） test group SEM images of steel bar surface

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