【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】新型熱能儲(chǔ)能系統(tǒng)普遍采用高溫氯化物熔鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，這些高腐蝕性熔鹽在高溫運(yùn)行環(huán)境下會(huì)對(duì)系統(tǒng)中合金結(jié)構(gòu)材料造成嚴(yán)重腐蝕，開發(fā)新型耐高溫腐蝕結(jié)構(gòu)材料成為推動(dòng)該能源領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵。具有獨(dú)特層狀結(jié)構(gòu)的三元碳化物MAX相材料(Mn+1AXn)兼具金屬的優(yōu)異導(dǎo)電導(dǎo)熱性與陶瓷材料固有的高熔點(diǎn)、高熱穩(wěn)定性和良好機(jī)械強(qiáng)度，是下一代高溫結(jié)構(gòu)材料的理想候選者。該類材料的六方晶系結(jié)構(gòu)由交替排列的M6X八面體層和A元素原子層構(gòu)成，層間相對(duì)較弱的M-A鍵在極端環(huán)境下(高溫氧化、腐蝕、電化學(xué)等)會(huì)發(fā)生顯著的化學(xué)氧化，從而造成結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變和物理性能的惡化。如何改善MAX相材料M-A亞層在極端條件上的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是面向應(yīng)用亟需攻克的難題。
近期，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所全省數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)高安全材料及應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室科研人員成功合成V2(Sn1-xRux)C(x = 0, 0.05, 0.1, 0.2)固溶型MAX相材料，其中A位原子引入了具有高氧化還原電位的釕(Ru)元素。腐蝕研究表明，相對(duì)比常規(guī)V2SnC材料，V2(Sn0.8Ru0.2)C在700℃的MgCl2-NaCl-KCl熔鹽中腐蝕100小時(shí)后，表現(xiàn)出增重行為——這源于其表面形成了致密的保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物層，且腐蝕層厚度從33.2 μm顯著降低至9.7 μm，未發(fā)現(xiàn)明顯腐蝕裂紋。700℃原位電化學(xué)測試研究發(fā)現(xiàn)Ru的引入使MAX相材料的開路電位從0.96 V顯著正移至1.16 V，氧化電流密度大幅降低，表明其熱力學(xué)穩(wěn)定性和動(dòng)力學(xué)耐腐蝕性均得到增強(qiáng)。該研究揭示了A位引入貴金屬元素能夠抑制腐蝕性元素?cái)U(kuò)散，促進(jìn)保護(hù)性鈍化層形成，為MAX相用于下一代聚光太陽能系統(tǒng)等極端環(huán)境應(yīng)用提供了新思路。
該成果以“A-Site substitution in V2SnC MAX phase for enhanced corrosion resistance in high-temperature molten salts”為題發(fā)表在Electrochimica Acta上(Electrochimica Acta 544 (2025) 147700)。本研究得到了國家自然科學(xué)基金(12435017, U23A2093, 52172254, 52202325)等項(xiàng)目的資助。
圖1 MAX相材料A層引入Ru后前后腐蝕結(jié)果：(a) MAX相塊體100小時(shí)腐蝕后的表面/截面SEM及元素分布譜圖；(b) 腐蝕前后宏觀表面形貌及質(zhì)量變化：(c) 700℃熔融MgCl2-NaCl-KCl中五種材料電化學(xué)測試
圖2 (a) MAX相材料A層引入Ru后對(duì)電子調(diào)控示意圖；(b) MAX相腐蝕層變化示意圖
(先進(jìn)核能材料實(shí)驗(yàn)室 李嘉祥)
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