氫氣是未來氣候中性能源體系的基石。然而，如何安全地儲存和運輸氫氣仍然是材料領(lǐng)域面臨的一項重大挑戰(zhàn)。不銹鋼因其高強度、成本可控且應(yīng)用廣泛，被視為理想候選材料。但即便是先進(jìn)鋼種，也仍然容易受到腐蝕和氫脆的影響。氫脆是一種氫滲入金屬內(nèi)部、削弱內(nèi)部鍵合、并最終可能導(dǎo)致材料突然失效的過程。

在一項最新研究中，由北京科技大學(xué)與馬克斯·普朗克可持續(xù)材料研究所（MPI-SusMat）牽頭的國際研究團(tuán)隊，開發(fā)出一種新型奧氏體不銹鋼，同時解決了上述兩大難題。相關(guān)研究成果已發(fā)表在期刊Science Advances上。

晶界是金屬中最脆弱的缺陷之一。它們既是氫的快速擴(kuò)散通道，也是電化學(xué)腐蝕反應(yīng)的活躍位點。當(dāng)可遷移的氫在這些界面處富集時，會產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，從而引發(fā)界面脫粘和裂紋擴(kuò)展，這正是氫脆發(fā)生的機(jī)制。與此同時，腐蝕則源于材料微觀結(jié)構(gòu)與周圍環(huán)境之間的電化學(xué)相互作用。

MPI-SusMat所長、本文通訊作者Dierk Raabe解釋道“挑戰(zhàn)在于開發(fā)一種在氫環(huán)境中依然保持機(jī)械可靠性，同時又具備高耐腐蝕性的奧氏體不銹鋼。與此同時，這種材料還必須具備成本優(yōu)勢，并能兼容現(xiàn)有的制造工藝。由于晶界是最脆弱的缺陷部位，我們將研究重點放在從源頭阻止氫在晶界處的侵入?！?/p>

研究人員并未僅依賴傳統(tǒng)的表面氧化膜，而是將氮原子直接引入鋼的晶界中。這種原子尺度的“裝飾”能夠有效阻斷氫的進(jìn)入，并在損傷發(fā)生之前抑制缺陷活性。其結(jié)果是一種成分為Fe-20Cr-9Ni-2.5Mn-1.6Mo-1Cu-0.2N的合金，與商業(yè)化316L不銹鋼相比，其耐腐蝕性能提高了3.8倍，抗氫脆能力提升了1.35倍。

與通過析出相“捕獲”氫的策略不同——后者往往會迅速飽和——晶界鈍化提供了長期、穩(wěn)定的防護(hù)效果。

這種新型合金成本可控、兼容現(xiàn)有工業(yè)加工路線，并且相較許多高性能替代材料具有更低的碳足跡。通過將耐久性、耐氫性和經(jīng)濟(jì)性相結(jié)合，該材料為更安全的氫氣管道、儲罐及運輸與儲存部件提供了一條切實可行的路徑。

這種原子尺度設(shè)計策略還有望推廣至其他合金體系，為能源、化工及基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域開發(fā)更耐久的材料打開新的機(jī)遇。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1833

（素材來自：北京科技大學(xué)/馬克斯·普朗克可持續(xù)材料研究所 全球氫能網(wǎng)、新能源網(wǎng)綜合）