在《Journal of Applied Electrochemistry (2022)》期刊上，研究人员Prafful Kumar Sinha和Vivekanand Kain发表了一篇题为“Investigations of Cathodic Reactions Using Cyclic Voltammetry and Electrochemical Behavior of Ti–Al–Zr Alloy in Nitric Acid Using Electrochemical Impedance Spectroscopy”的研究论文。本研究于2021年10月10日在线发表，探讨了钛基合金（Ti–Al–Zr）在强氧化性条件下的电化学行为，尤其是在硝酸环境（Nitric Acid）中的腐蚀性能和阴极反应机理。
本研究的背景涉及核反应堆乏燃料的再处理过程。在核燃料再处理PUREX（Plutonium Uranium Reduction Extraction）工艺中，硝酸（HNO3）是主要的介质，广泛用于溶解和回收铀（Uranium）和钚（Plutonium）。在此应用中，不锈钢（如304L不锈钢）因其耐腐蚀性被用于结构件和储存材料。然而，不锈钢在含氧化性离子的强硝酸（如Ce⁴⁺和V⁵⁺离子）条件下容易发生晶间腐蚀（Intergranular Corrosion），即使在未敏化的状态下也不例外。这种腐蚀机制的主要原因是氧化性介质会溶解不锈钢表面的Cr₂O₃钝化膜。
钛及钛基合金作为替代材料，其在强腐蚀和高氧化性条件下表现出更优的耐腐蚀性。然而，虽然已有研究考察了钛基合金在沸腾硝酸中的腐蚀性能，但大多数研究仅限于室温条件。此外，几乎未涉及氧化离子对钛基合金腐蚀行为的影响。因此，本研究旨在利用现代电化学技术（如循环伏安法（Cyclic Voltammetry, CV）和电化学阻抗谱法（Electrochemical Impedance Spectroscopy, EIS））揭示上述合金的腐蚀机理与行为。
研究中使用了一种钛铝锆（Ti–Al–Zr）合金。样品从厚度为3毫米的原材料板上切下，样品每边大小为20毫米，厚度为3毫米，化学成分为：Al：2.18%；Zr：2.43%；其他元素如C、Fe、Si的含量均低于0.02%；其余成分为钛。样品经打磨、超声清洗，并干燥后用于实验。
采用Autolab PGSTAT 302 N电化学工作站采集数据。EIS数据通过拟合等效电路，提取溶液电阻（Rs）、电荷转移电阻（Rdl）、双电层电容（Cdl）等参数。
阴极反应的分析
通过CV在铂电极表面研究了硝酸的还原机理。以下是实验的主要发现： 1. 在25°C条件下： - 硝酸中的硝酸根离子（NO₃⁻）还原反应主要呈现“直接还原”机制（Direct Reduction），其还原峰出现在0.32–0.42 V（vs. Ag/AgCl）。 - 在较高硝酸浓度（6M）且较低扫描速率下，还观察到“间接还原”机制（Indirect Reduction），其中亚硝酸根离子（NO₂⁻）成为主要的电活性中间体。
氧化性离子的影响
实验结果显示，加入氧化性离子（Ce⁴⁺和V⁵⁺）后： 1. Ce⁴⁺和V⁵⁺各自表现出特定的还原峰电位（分别为1.04–1.38 V和0.54–0.61 V vs. Ag/AgCl），但随着酸浓度升高，氧化性离子的还原信号逐渐减弱。 2. 含氧化性离子的环境中，阴极反应动力学增强，但同时可能加剧合金的阳极溶解。
EIS结果表明： 1. 显著的过程参数依赖：噪声抗测量显示钝化膜质量随暴露时间增加而显著提升；75°C环境中，氧化性离子对钝化膜稳定性的负面影响更加显著。 2. 双电层行为：在25°C时，钝化膜表现为单模式阻抗回路；而75°C时在部分实验条件下表现出双阻抗回路，证明存在一定的吸附现象。
该研究表明，Ti–Al–Zr合金在含氧化性硝酸介质中的耐腐蚀性能优于传统的不锈钢材料，这主要得益于其表面形成的稳定钝化膜。此外，在强氧化性条件下，高温和氧化性离子会对钝化膜的稳定性产生负面影响。本研究通过CV和EIS实验探究了钝化膜的电化学行为，为优化材料选择提供了理论支持，也为高腐蚀环境下的新型合金设计和应用提供了参考依据。
该研究为强氧化性硝酸应用中的材料选择提出了新思路，具有重要的科学价值和工程意义。