Influence of BSA adsorption on the oxide layers developed on 70Cu-30Ni alloy in static artificial seawater^*

Effet de l’adsorption de BSA sur les couches d’oxydes développées sur l’alliage Cu70-Ni30 en eau de mer artificielle statique

¹ Laboratoire de Physico-Chimie des Surfaces, UMR 7045 CNRS-ENSCP, Chimie ParisTech, 11 rue Pierre et Marie Curie, 75005 Paris, France
² Laboratoire Interfaces et Systèmes Électrochimiques, UPR 15 CNRS, Université Pierre et Marie Curie, 4 place Jussieu, 75252 Paris Cedex 05, France
isabelle.frateur@upmc.fr

Received: 16 July 2012
Accepted: 15 February 2013

Abstract

Copper alloys usually used in cooling circuits of industrial plants can be affected by biocorrosion induced by biofilm formation. The global objective is to study the influence of biomolecules adsorption, which is the first step in biofilm formation, on the electrochemical behaviour of 70Cu-30Ni (wt. %) alloy and the chemical composition of oxide layers. In this work, the chosen biomolecule was the bovine serum albumin (BSA, model protein) and electrochemical measurements performed after 1 h of immersion in static artificial seawater were combined to surface analyses. In the presence of BSA, the charge transfer resistance deduced from EIS data at E_corr is higher, corresponding to lower corrosion current. Without BSA, two oxidized layers are shown by XPS and ToF-SIMS: an outer layer mainly composed of copper oxide (Cu₂O redeposited layer) and an inner layer mainly composed of oxidized nickel, with a global thickness of  ~30 nm. The presence of BSA leads to a mixed oxide layer (CuO, Cu₂O, Ni(OH)₂) with a lower thickness (~10 nm). Thus, the protein induces a decrease of the dissolution rate at E_corr and hence a decrease of the amount of redeposited Cu₂O and of the oxide layer thickness.

Résumé

Les alliages de cuivre habituellement utilisés dans les circuits de refroidissement de centrales électriques peuvent être affectés par la biocorrosion induite par la formation d’un biofilm. L’objectif global de ce travail est d’étudier l’influence de l’adsorption de biomolécules, qui est l’étape initiale de formation du biofilm, sur le comportement électrochimique de l’alliage 70Cu-30Ni (% massiques) et sur la composition chimique des couches d’oxydes. Dans ce travail, la biomolécule choisie est l’albumine de sérum bovin (BSA, protéine modèle) et des mesures électrochimiques réalisées après 1 h d’immersion en eau de mer artificielle statique ont été combinées à des analyses de surface. En présence de BSA, la résistance de transfert de charge estimée par impédance électrochimique (EIS) à E_corr est plus élevée, correspondant à un courant de corrosion plus faible. Sans BSA, deux couches d’oxydes sont mises en évidence par XPS et ToF-SIMS : une couche externe principalement composée d’oxyde de cuivre (couche de redéposition de Cu₂O) et une couche interne principalement composée de nickel oxydé (épaisseur globale :  ~30 nm). La présence de BSA conduit à une couche mixte d’oxydes (CuO, Cu₂O, Ni(OH)₂), d’épaisseur plus faible (~10 nm). Ainsi, la protéine induit une diminution de la vitesse de dissolution à E_corr et, par conséquent, une diminution de la quantité de Cu₂O redéposé et de l’épaisseur de la couche oxydée.