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材料學(xué)家利用原子級(jí)模擬方法，發(fā)現(xiàn)鐵會(huì)在CO?中催化自身腐蝕反應(yīng)

2022-01-27 16:36:07 作者：腐蝕與防護(hù) 來(lái)源：腐蝕與防護(hù) 分享至：

在水中生銹的鐵，理論上不應(yīng)該再與“惰性”的二氧化碳超臨界流體接觸時(shí)發(fā)生腐蝕，但事實(shí)上它確實(shí)如此。

到目前為止，材料科學(xué)家還沒(méi)有找到原因，但是萊斯大學(xué)（Rice University）的研究團(tuán)隊(duì)有一個(gè)理論，可能有助于制定新的策略來(lái)保護(hù)鐵免受環(huán)境影響。

研究小組通過(guò)原子級(jí)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)暴露在超臨界二氧化碳（sCO2）和微量的水中時(shí)，鐵本身在其自身的腐蝕中起著作用，因?yàn)樗龠M(jìn)了流體中活性物質(zhì)的形成，這些活性物質(zhì)會(huì)回來(lái)攻擊它。

研究的結(jié)論是，二維材料（如石墨烯或六方氮化硼）的薄疏水層，可以用作鐵原子和sCO2活性元素之間的屏障。

超臨界流體是指在一定溫度和壓力下的材料，使其大致處于兩相之間——比如說(shuō)，不全是液體，但還不全是氣體。據(jù)研究人員稱，sCO2的特性使其成為一種理想的工作流體，因?yàn)樗?ldquo;基本上是惰性的”，無(wú)腐蝕性且成本低。

研究人員認(rèn)為，消除腐蝕是一個(gè)持續(xù)的挑戰(zhàn)，現(xiàn)在很多人都在關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。鐵自古以來(lái)就是基礎(chǔ)設(shè)施的支柱，但直到現(xiàn)在我們才能夠從原子上了解它是如何被腐蝕的。

萊斯實(shí)驗(yàn)室通過(guò)模擬顯示了細(xì)節(jié)中的“魔鬼”。以前的研究將腐蝕歸因于超流體中存在大量的水和其他污染物，但情況并不一定如此。水作為sCO2中的主要雜質(zhì)，提供了一個(gè)氫鍵網(wǎng)絡(luò)，以引發(fā)與CO2和其他雜質(zhì)如氧化亞氮的界面反應(yīng)，并形成對(duì)鐵有害的腐蝕性酸。

模擬結(jié)果還顯示，鐵本身起到了催化劑的作用，降低了鐵和sCO2界面的反應(yīng)能量障礙，最終導(dǎo)致了一系列腐蝕性物種的形成：氧氣、氫氧化物、羧酸和亞硝酸。

對(duì)研究人員來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究說(shuō)明了理論模型有助于解決復(fù)雜化學(xué)問(wèn)題，在這種情況下，可以預(yù)測(cè)熱力學(xué)反應(yīng)，并估計(jì)鐵和sCO2之間界面處的腐蝕速率。

研究還表明，如果超流體中存在一丁點(diǎn)兒的水，一定會(huì)進(jìn)一步加速鐵的腐蝕。

題為Iron corrosion in the “inert” supercritical CO2, ab initio dynamics insights: How impurities matter的相關(guān)研究論文發(fā)表在《物質(zhì)》上。查閱論文詳細(xì)信息請(qǐng)點(diǎn)擊“閱讀原文”。

DOI：https://doi.org/10.1016/j.matt.2021.12.019

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