¿Cómo ayudó FILAB a uno de sus clientes a determinar los distintos estados de oxidación del cromo por XPS en un polvo?
El cromo es un elemento químico que pertenece al grupo de los metales de transición. Es un metal duro, brillante y resistente a la corrosión, utilizado en numerosos ámbitos debido a sus propiedades físicas y químicas. El cromo presenta diferentes niveles de oxidación.
En el marco de la fabricación de piezas industriales para la aeronáutica, nuestro cliente sospechó la presencia de cromo VI en una pieza recubierta con un zincado amarillo. Tras unas primeras investigaciones internas, se solicitó a FILAB determinar la presencia de cromo VI en este recubrimiento y cuantificarlo.
Determinación de la presencia de cromo VI por XPS
Para llevar a cabo este estudio, la técnica utilizada es la Espectroscopía de Fotoelectrones de Rayos X (XPS), que permite realizar un análisis elemental, estructural y cuantitativo de la superficie extrema (unos pocos nm de profundidad) de una muestra.
La XPS es una técnica de análisis químico cuantitativo cuya profundidad de investigación es del orden del nanómetro (típicamente entre 2 y 4 nm). Se aplica a todas las muestras sólidas que soportan el ultraalto vacío (presión de trabajo del orden de 10-8 Pa). Por tanto, es utilizable en el caso de la pieza metálica que nuestro cliente desea analizar.
La muestra se somete a fotones X (línea Kα del aluminio o del magnesio, por lo general). Los fotones X excitan los elementos presentes en la muestra. El resultado de la excitación puede ser la emisión directa de un electrón procedente de un nivel particular (fotoionización). El análisis XPS consiste en filtrar en energía (gracias al analizador) y detectar estos fotoelectrones
Fue necesario realizar una abrasión para determinar la presencia o ausencia de cromo VI
El primer análisis realizado no permitió identificar la presencia de cromo en la muestra debido a la gran cantidad de carbono presente en la superficie de la muestra. Por ello, realizamos una abrasión de 2-3 nanómetros en la superficie de la muestra para eliminar esta contaminación.
Espectros XPS de la muestra – antes de la abrasión (en verde) y después de la abrasión (en rojo)
La deconvolución del pico del cromo Cr2p permite identificar el grado de oxidación del cromo.
Las energías de estas contribuciones corresponden a un grado de oxidación +III. En efecto, las energías de las contribuciones asociadas al grado de oxidación +VI se sitúan alrededor de 580 eV para el pico 2p3/2 y 589 eV para el pico 2p1/2. Estas contribuciones no están presentes en el espectro de alta resolución del cromo Cr2p.
Espectros XPS de alta resolución del cromo Cr2p de la muestra 2302-E0130013 después de la abrasión
La superficie extrema de la pieza recubierta presenta, por tanto, únicamente cromo trivalente Cr (III). No se identificó ningún rastro de cromo hexavalente Cr (VI).
¿Por qué FILAB?
Gracias a una experiencia significativa en la implementación de técnicas de análisis de cromo VI, el laboratorio FILAB le acompaña en sus necesidades:
- Análisis de composición química y controles de cromo 6 (cromo VI)
- Dosificación de cromo 6 (cromo VI) en una muestra de vidrio
- Búsqueda de cromo 6 (cromo VI) en una pieza sometida a nitrocrómico
- Determinación del contenido residual de cromo 6 (cromo VI) en tratamientos superficiales
- Dosificación de cromo 6 (cromo VI) en polvo por espectrometría UV
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Preguntas frecuentes
¿Cómo distinguir el cromo trivalente del cromo hexavalente en un revestimiento?
La espectroscopía XPS permite estudiar el entorno químico del cromo en la superficie más externa de un revestimiento. El análisis detallado de la señal Cr2p ayuda a distinguir las contribuciones asociadas a sus estados de oxidación. En este estudio, FILAB identificó cromo trivalente en la zona examinada y no identificó ninguna contribución atribuible al cromo hexavalente.
¿Por qué utilizar la XPS para analizar un recubrimiento que contiene cromo?
La XPS proporciona información sobre los elementos presentes y su estado químico en los primeros nanómetros de un sólido compatible con el análisis en condiciones de ultraalto vacío. De este modo, responde a una cuestión de química de superficies. En este caso, se utilizó para examinar un recubrimiento de zincado amarillo del que se sospechaba que contenía cromo hexavalente.
¿Por qué una capa de carbono puede dificultar la detección del cromo mediante XPS?
Dado que la XPS es muy sensible a la superficie más externa, una capa superficial rica en carbono puede atenuar la señal del recubrimiento subyacente. En este estudio, el primer análisis no permitía identificar el cromo. Se realizó una abrasión de unos pocos nanómetros para acceder a una zona menos afectada por esta capa superficial.
¿Qué concluye el estudio XPS sobre el cromo del recubrimiento analizado?
Tras la preparación descrita en el artículo, la señal Cr2p era compatible con cromo en estado de oxidación +III. No se identificaron en el espectro examinado las contribuciones esperadas del cromo +VI. Esta conclusión se refiere a la zona y a las condiciones de análisis de este estudio, así como a los límites de detección del método.
¿Basta un análisis XPS de superficie para describir todo el cromo de una pieza?
Un análisis XPS proporciona información sobre la zona superficial examinada; no mide directamente la totalidad del cromo presente en la pieza. Para responder a una cuestión relativa al conjunto de un recubrimiento o a un contenido global, puede ser necesaria una estrategia complementaria. La elección depende del material, de la profundidad de interés y del objetivo del control.