銅憑借其優異的導熱導電性,在工業及海洋工程領域得到廣泛應用。通常情況下,堿性環境可在銅表面形成以Cu2O為主的鈍化保護膜,有效抑制腐蝕。然而,在富含氯離子的海洋環境中,該保護膜極易破壞脫落,導致材料失效。盡管先前研究提出了多種失效機制(如應力誘導斷裂、局部溶解變薄、孔洞誘導坍塌等),但對于氯離子如何在原子尺度上促進Cu2O鈍化膜破裂的精確過程與主導機制,科學界長期以來缺乏清晰認識。 為準確理解這一機制,中國科學院寧波材料技術與工程研究所常可可團隊與人工光合成與能源催化團隊通力合作,綜合運用第一性原理熱力學計算、基于機器學習勢的分子動力學模擬及約束分子動力學等先進計算方法,取得了突破性發現:(1)氯離子在Cu2O表面發生強化學吸附;(2)氯離子的表面吸附顯著降低銅原子溶出能壘;(3)氯離子吸附導致表面空位形成速率遠超內部擴散速率。基于這些原子尺度的深入洞察,研究團隊從微觀動力學層面明確揭示了氯離子誘發Cu2O保護膜破壞的主導機制為局部溶解變薄機制。該機制的核心在于,氯離子吸附一方面強力加速表層銅原子的溶解流失,另一方面顯著抑制了表面空位向材料內部的擴散速率。這種空位形成與擴散的巨大速率差異導致高濃度的表面空位無法及時“愈合”,從而在局部區域引發鈍化膜急劇減薄并最終破裂。 圖1 相關計算方法和結果 圖2 Cu2O腐蝕溶解機理示意圖 相關成果 Corrosion Science Atomistic insights into chloride-induced depassivation mechanisms of protective Cu2O films in marine environments DOI: 10.1016/j.corsci.2025.113171 作者信息 第一作者 陳傲 寧波材料所工程師 通訊作者 樂家波 寧波材料所副研究員 徐凱 寧波材料所副研究員 常可可 寧波材料所研究員 項目支持 中國科學院戰略性先導科技專項 XDB0470103 國家自然科學基金 22272193, 52471104 寧波市甬江引才工程 2021A-115-G 寧波材料所海洋關鍵材料全國重點實驗室協同創新培育項目
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