Étude expérimentale de la corrosion abiotique et biotique de nanofilms de fer : initiation-propagation, mouillage et produits issus de la corrosion.

Abstract

Iron corrosion is mostly a surface phenomenon; its initiation involving the interfacial iron oxide layer and the underlying metallic iron atoms layers. This study emphasizes surface phenomena associated with the corrosion of iron nanolayers (10nm), which are deposited on glass substrates thanks to a 5-nm titanium adhesion layer. These nanolayers offer a defect-free surface in addition to the advantage of limiting corrosion products accumulation on the surface. Under an aerated aqueous, chloride ions-containing droplet, corrosion initiates locally by aggressive ions but propagates radially around the pit as a 2D corrosion front. As soon as this front reaches the triple contact line, it deforms it and slowly drives the droplet wetting of the corroded surface. The weak amount of substance of corroded iron allows any corrosion product nano-scale analysis. Physico-chemical analysis performed on both surface and solution show that corrosion products are mainly iron (III) oxo-hydroxides, that grew as lepidocrocite sheets on the titanium nanolayer and in suspension. In the case of microbially induced corrosion (MIC), more specifically iron nanolayers corrosion initiated by Shewanella Oneidensis MR1 bacterium, oxygen quantities are diminished because of cellular respiration. In such conditions, we can find on the surface iron oxides that co-precipitated with phosphates from the culture medium. By experimentally limiting gas diffusion, hydrogen formation may be detected from iron nanolayers biotic corrosion, witness of water's involvement in iron oxidation reactions that occur at lower electrochemical potentials. Finally, a preliminary study has revealed the appearance of dendritic structures during the corrosion of iron-titanium nanolayers under a drop of salt containing water (without bacteria). These structures, with notable optical properties, form at the titanium-iron oxy-hydroxides interface, and are composed of both metallic and oxidized iron.La corrosion du fer est principalement un phénomène de surface; en particulier son initiation met en jeu la couche interfaciale d'oxydes native du fer ainsi que les premières couches d'atomes à l'état métallique sous-jacente. Cette étude se focalise sur les phénomènes de surface lors de la corrosion de nanocouches (10 nm) de fer, déposées sur substrat de verre, avec une nanocouche d'accroche de 5 nm de titane. Ces nanocouches présentent l'intérêt de former une surface sans défauts et de limiter l'accumulation de produits de corrosion à la surface. Sous une goutte aérée de solution aqueuse contenant des ions chlorures, la corrosion est initiée localement et se propage de façon radiale autour de la piqûre sous forme d'un front de corrosion 2D. Lorsque ce front de corrosion atteint la ligne triple de la goutte, il la déforme et entraîne l'étalement de cette dernière sur la surface ainsi corrodée. La faible quantité de matière en fer corrodé permet l'analyse à l'échelle nanométrique des produits de corrosion. Les analyses physico-chimiques de la surface et de la phase aqueuse montrent alors que les produits de corrosion sont majoritairement composés d'oxy-hydroxydes de fer (III), qui ont crû sous forme de feuillets de lépidocrocite à la surface de la nanocouche de titane et en suspension dans la goutte. Dans le cas de la corrosion induite par bactéries (ou MIC), plus particulièrement par la bactérie Shewanella Oneidensis MR1, la quantité de dioxygène accessible est diminuée par la respiration cellulaire. On retrouve alors à la surface des coprécipités d'oxydes de fer et de phosphates présents dans le milieu de culture. En limitant la diffusion des gaz de façon expérimentale, on peut observer la formation de dihydrogène lors de la corrosion du nanofilm de fer dans ces conditions biotiques, produit témoin de l'implication de l'eau dans les réactions d'oxydation du fer, qui ont lieu à plus bas potentiel électrochimique. Enfin, une étude préliminaire a permis de mettre en évidence l'apparition de structures dendritiques lors de la corrosion du nanofilm de fer-titane sous une goutte d'eau salée (sans bactéries). Ces structures, aux propriétés optiques bien particulières, semblent se former à l'interface entre la couche de titane et celle d'oxy-hydroxydes de fer, et être composées de fer oxydé et métallique