Model for Humidity-Mediated Diffusion on Aluminum Surfaces and Its Role in Accelerating Atmospheric Aluminum Corrosion

腐蚀 材料科学 氧化物 扩散 相对湿度 热扩散率 水溶液 吸附 化学物理 离子 金属 化学工程 复合材料 无机化学 冶金 热力学 物理化学 化学 有机化学 工程类 物理
作者
Jeremy Scher,Stephen E. Weitzner,Yue Hao,Tae Wook Heo,Stephen T. Castonguay,Sylvie Aubry,Susan Carroll,Matthew P. Kroonblawd
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (23): 28716-28730 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsami.3c02327
摘要

Bare aluminum metal surfaces are highly reactive, which leads to the spontaneous formation of a protective oxide surface layer. Because many subsequent corrosive processes are mediated by water, the structure and dynamics of water at the oxide interface are anticipated to influence corrosion kinetics. Using molecular dynamics simulations with a reactive force field, we model the behavior of aqueous aluminum metal ions in water adsorbed onto aluminum oxide surfaces across a range of ion concentrations and water film thicknesses corresponding to increasing relative humidity. We find that the structure and diffusivity of both the water and the metal ions depend strongly on the humidity of the environment and the relative height within the adsorbed water film. Aqueous aluminum ion diffusion rates in water films corresponding to a typical indoor relative humidity of 30% are found to be more than 2 orders of magnitude slower than self-diffusion of water in the bulk limit. Connections between metal ion diffusivity and corrosion reaction kinetics are assessed parametrically with a reductionist model based on a 1D continuum reaction–diffusion equation. Our results highlight the importance of incorporating the properties specific to interfacial water in predictive models of aluminum corrosion.
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