| 研究課題/領域番号 |
21H01660
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
坂入 正敏 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (50280847)
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| 研究分担者 |
大谷 恭平 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究職 (20828280)
五十嵐 誉廣 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 原子力科学研究所 原子力基礎工学研究センター, 研究職 (70414555)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 金属カチオン / 耐食性表面 / 計算科学 / 電気化学 / 表面分析 |
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| 研究実績の概要 |
環境中に存在する各種金属カチオンの影響について模擬淡水を用いて実験を実施し，模擬淡水における炭素鋼等の腐食挙動は金属カチオンの種類によって変化し，亜鉛イオンが存在する溶液中の腐食速度が最も小さいことを明らかにした。表面分析から亜鉛イオンを含む溶液に浸漬試験した試料表面でのみ，溶液由来の亜鉛イオンが検出された。これらの結果に基づき，環境中に微量に存在する亜鉛イオンは金属上の不働態皮膜上に保護膜を形成して，塩化物イオンの攻撃を防ぎ，炭素鋼の腐食速度を低下させる腐食抑制機構を提案した。
アルミニウムイオンの含まれた溶液に浸漬した炭素鋼で表面分析をすることにより金属カチオンの炭素鋼表面への吸着挙動を調査した。材料最表面に金属カチオンを始めとした腐食抑制剤の成分が吸着して炭素鋼を保護する被膜を形成することが示唆された。また，デプスプロファイルを測定し，腐食抑制剤に含まれるアルミニウムイオンは短い浸漬時間でも炭素鋼表面に80 nm程度い保護皮膜を形成することで，炭素鋼の不動態皮膜の耐食性を向上していることを見出した。
ESM-RISM法を用いて結合挙動の取得を試みた。浸漬試験により大きい防食効果が確認されている金属カチオンについて計算を行った。金属カチオン同士が隣接している状態においても比較的強い吸着挙動を示した。一方，防食効果が小さいジルコニウムイオンについて計算を行った結果，隣接するジルコニウムイオンの間で強い反発力が生じ表面吸着力が低下することを確認した。電子のトンネル効果により金属表面では電子の染み出しがある可能性がある。この電子染み出しによる長距離クーロン相互作用を正確に把握するため，ESM-RISM法と分子軌道法を用いて耐食性向上に効果のある溶液中の金属カチオンの精緻なモデル化が完了した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本年度は，対象の材料を耐食性の低い炭素鋼等とし，調査対象の金属カチオンはこれまでの研究から様々な金属材料の耐食性向上が著しい金属カチオンに着目して耐食性への影響を電気化学，溶液分析，表面分析などで実験的に調査し，金属カチオンによる炭素鋼の耐食性向上機構を明確にすること，計算科学的手法によりその機構の妥当性を検討することを目的に研究を実施した。
電気化学測定および表面分析から，亜鉛イオンやアルミニウムイオンは，炭素鋼等の耐食性をになっている不働態皮膜上に短時間で保護層を形成することで耐食性を向上していることを，明らかにした。本年度の目的である，金属カチオンによる実用金属材料の耐食性向上の機序を実験的に明確にできた。
第一原理計算による検討では，材料の防錆に対する溶液中アニオン・カチオンの効果を正確に考慮するため、溶媒和理論の一つである参照相互作用サイトモデル(RISM)と任意の電極電位における第一原理計算を可能とする有効遮蔽媒質法(ESM)を組み合わせたESM-RISM法を用いて結合エネルギーを解析を実施し，耐食性向上に効果のある溶液中の金属カチオンの精緻なモデル化が完了し，当初の目的以上の成果を得ている。当初予定していた実施項目ついては，コロナ禍であったがおおむね当初の予定どおりに進んでいること，金属カチオンの機序を利用する表面創製についても基礎実験を開始していることから，おおむね順調に進展していると評価した。
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| 今後の研究の推進方策 |
本年度の研究により塩化物イオン濃度やpHが同じでも溶液や環境中に微量の亜鉛イオンやアルミニウムイオンのような金属カチオンが存在することで金属材料の耐食性が大きく変化すること，このような金属カチオンは腐食抑制剤の能力を飛躍的に向上することも見いだし，その防食機構を解明した。この防食機構を用いる省資源の耐食性材料の開発を目指して引き続き研究を推進する。来年度以降は，今年度に引き続き，金属カチオンによる不働態皮膜の耐食性向上メカニズムを電気化学，表面分析や計算科学(第一原理計算)により解明すること，解明した耐食機構を利用する表面処理として，電気めっきと低温熱処理による鉄鋼材料の新規耐食性表面創製法の開発を目指す。さらに，耐食性表面を創製した鋼の耐食性評価を実施する。具体的には，溶液中における評価として，電気化学測定（定電位分極測定，動電位分極測定，交流インピーダンス測定）を実施する。浸漬腐食試験にを実施し，表面の構造，組成変化を表面分析により調査する。計算科学によるアプローチとして，溶液近似第一原理計算手法の一つであるESM-RISM法を用いて，金属材料表面とアニオン・金属カチオンとの間の結合挙動の取得を試みる。鉄酸化物に対するESM-RISM計算を行うために必要な量子計算側の鉄原子および酸素原子と溶液中イオン間の相互作用パラメータを取得するため，逆スピネル構造をもつ酸化鉄の100面に対して希ガス原子をランダムに配置し，鉄原子について非結合性相互作用モデルの一つであるLennard-Jones型ポテンシャルのパラメータフィッティングを実施する
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