腐蚀是如何发生的？新研究在原子水平上检查过程

当水蒸气遇到金属时，由此产生的腐蚀会导致损害机器性能的机械问题。通过一种称为钝化的过程，它还可以形成一层薄的惰性层，作为防止进一步恶化的屏障。

无论哪种方式，在原子水平上准确的化学反应还没有得到很好的理解，但由于一种称为环境透射电子显微镜(TEM)的技术，这种技术使研究人员可以直接观察分子在尽可能小的尺度上的相互作用。

文光·周教授是纽约州立大学托马斯·J·沃森工程与应用科学学院宾汉姆顿大学的一名教师，自2007年加入机械工程系以来一直在探索原子反应的秘密。

他与匹兹堡大学和布鲁克海文国家实验室的合作者一起研究了金属的结构和功能特性以及制造“绿色”钢的过程。

他们的最新研究“水蒸气诱导表面钝化的原子机制”发表在11月的杂志上科学进展。合著者包括宾汉姆顿大学博士生、、李、叶硕楠和希亚姆·巴拉特库马尔·帕特尔;蔡娜，12级博士;刘钊，2020级博士;匹兹堡大学16级学生陶伟·尚和王国锋;布鲁克海文国家实验室的黄素妍、德米特里·n·扎哈罗夫和豪尔赫·阿尼巴尔·博斯考博尼克。

在这篇论文中，周和他的团队引入水蒸气来清洁铝样品并观察表面反应。

“这种现象众所周知，因为它发生在我们的日常生活中，”他说。

“但是水分子是如何与铝反应形成这种钝化层的呢?如果你看看【研究】文献，没有太多关于这在原子尺度上如何发生的工作。如果我们想用它做好事，我们必须知道，因为这样我们就有办法控制它。”

他们发现了以前从未观察到的东西:除了表面形成的氢氧化铝层外，在其下方还形成了第二个无定形层，这表明存在一种将氧气扩散到衬底中的传输机制。

“大多数腐蚀研究都集中在钝化层的生长以及它如何减缓腐蚀过程上，”周说。

“从原子尺度来看，我们觉得我们可以弥合知识鸿沟。”

全球修复腐蚀的成本估计为每年2.5万亿美元，超过全球GDP的3%——因此开发更好的氧化管理方法将是一项经济福利。

此外，了解水分子的氢原子和氧原子如何分裂以与金属相互作用可能会产生清洁能源解决方案，这就是美国能源部过去资助这项研究和周的类似项目的原因。

“如果你把水分解成氧气和氢气，当你重新组合时，它又只是水了，”他说。

“它没有化石燃料的污染，也不会产生二氧化碳。“

由于清洁能源的影响，过去15年来，美国能源部定期延长周的拨款。

“我非常感谢对这项研究的长期支持，”周说。“对于能源设备或能源系统来说，这是一个非常重要的问题，因为有很多金属合金被用作结构材料。”

来源: Materials provided by Binghamton University. Original written by Chris Kocher.
注明: Content may be edited for style and length. Journal Reference: Xiaobo Chen, Weitao Shan, Dongxiang Wu, Shyam Bharatkumar Patel, Na Cai, Chaoran Li, Shuonan Ye, Zhao Liu, Sooyeon Hwang, Dmitri N. Zakharov, Jorge Anibal Boscoboinik, Guofeng Wang, Guangwen Zhou. Atomistic mechanisms of water vapor–induced surface passivation. Science Advances, 2023; 9 (44) DOI: 10.1126/sciadv.adh5565