Étude de l'influence du Fe(III) sur les mécanismes de réduction de l'acide nitrique concentré sur un matériau inerte et sur acier inoxydable riche en Si

On the role of Fe(III) on concentrated nitric acid reduction mechanisms on inert material and on high Si-containing austenitic stainless steel

• Auteur / Autrice : Julien Pellé
• Direction : Vincent Vivier, Benoît Gwinner, Nathalie Larabi-Gruet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physico-chimie
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Interfaces et systèmes électrochimiques (Paris ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Claude Jolivalt
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Didier Hauchard
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Olivier Devos, Christine Blanc

Mots clés

Mots clés contrôlés

Corrosion

Acier inoxydable

Spectroscopie d'impédance

Nitrique, Acide

Réduction (chimie)

Mots clés libres

Acide nitrique

Spectroscopie d’impédance électrochimique

Mécanisme de réduction des nitrates

Acier inoxydable

Modélisation

Catalyse par le Fe(III)

Nitric acid

Electrochemical spectroscopy impedance

Nitrate reduction reaction

Stainless steel

Modelling

Iron ion catalysis

Résumé

L’objectif de ce travail est d’étudier les mécanismes de corrosion mis en jeu sur un acier inoxydable riche en Si, en milieu acide nitrique 4 mol L-1 et en présence de Fe(III) à 40 °C. Il a notamment été montré que la présence de Fe(III) en solution accélère la cinétique de corrosion des aciers inoxydables en milieu acide nitrique, principalement par une accélération du processus cathodique de la réaction de corrosion. Cependant, il n’a pas été clairement établi si cette accélération du processus cathodique résulte d’une réduction directe du Fe(III) en Fe(II) sur l’acier ou d’une contribution indirecte du Fe(III) via une catalyse de la réduction de l’acide nitrique (faisant intervenir les espèces réduites de l’acide nitrique comme HNO2, NO2 et/ou NO).Afin d’étudier ces hypothèses, plusieurs méthodes électrochimiques ont été utilisées : chronoampérométrie, voltampérométries cyclique et linéaire, spectroscopie d’impédance électrochimique. La spéciation de certaines espèces azotées et des espèces du fer a été étudiée par microspectroscopie Raman dans une solution HNO3 4 mol L-1 à 25 °C en présence de différentes concentrations en Fe(NO3)3 à l’équilibre. Les travaux se sont principalement axés sur l’impact du Fe(III) sur le mécanisme de réduction de l’acide nitrique afin de déterminer quelles étapes du mécanisme sont impactées par sa présence. Dans un souci de simplification du système étudié, ce rôle a dans un premier temps été étudié sur une électrode inerte d’or, afin de s’affranchir de l’effet de la dissolution de l’acier inoxydable. Ainsi, les techniques électrochimiques ont été couplées à de la spectrométrie de masse pour l’analyse des gaz (NO2, NO et N2O).

The objective of this work is to study the corrosion mechanisms involved on a stainless steel (SS) containing high level of Si, in 4 mol L-1 nitric acid with Fe(III) à 40 °C. It has been shown that in presence of Fe(III), the corrosion kinetics is increased in such solution, mainly by an acceleration of cathodic reactions. However, it is not clear if this acceleration results from the direct reduction of Fe(III) to Fe(II) at the surface of SS or if Fe(III) indirectly contributes, through a catalytic pathway, to the reduction mechanism of nitric acid (involving reduced species of HNO3 such as HNO2, NO2 and NO).In order to examine these hypotheses, several electrochemical methods have been used: chronoamperometry, cyclic and linear swipe voltammetry, electrochemical impedance spectroscopy. Speciation of certain nitrogen and iron species was studied by Raman microspectroscopy in a 4 mol L-1 HNO3 at 25 °C in the presence of different Fe(III) concentrations, at equilibrium. The main objective of this work was on the impact of Fe(III) on the nitric acid reduction mechanism to determine which steps of the mechanism are affected by the presence of Fe(III). In order to simplify the system studied, this role was first investigated on an inert gold electrode, in order to avoid the effect of stainless steel dissolution. Thus, electrochemical techniques were coupled with mass spectrometry for gas analysis (NO2, NO and N2O).