2018年理论物理所重要科研进展系列七:水蒸气促进合金氧化的原子起因的研究
2018/5/10 13:21:33 中科院理论物理所

     金属或者合金在空气中由于氧气的作用会氧化(生锈),水蒸气的存在会进一步促进氧化过程。这一现象在原子层面上的微观机制尚无明确结论。中国科学院理论物理研究所王延颋研究员课题组的博士研究生苏茂与美国太平洋西北国家实验室的科研团队密切合作,以Ni-Cr合金为例,结合实验观察和理论计算首次揭示了金属合金在水蒸气环境下氧化的微观机制,表明质子(氢离子)在这个过程中起到了至关重要的作用。该成果已在线发表在 Nature Materials 杂志上(https://www.nature.com/articles/s41563-018-0078-5),苏茂为共同第一作者。

    

     在实验方面,该研究使用了环境透射电子显微镜(ETEM)进行观察。传统的透射电子显微镜(TEM)必须在真空环境下进行观察,无法用于观察动态的氧化现象。而ETEM可以直接观察暴露在气体或者液体环境下的样本,并且能达到原子级别的清晰度,因此可以更加真实地还原材料本身的状态。借助ETEM我们得以从原子层面观察到氧化的动态过程。

    

     为了进一步解释实验观察到的现象,苏茂与合作者利用密度泛函理论(DFT)选取相应的理论模型进行了计算,结合ETEM的实验结果对水蒸气加速氧化合金的作用机理提出了解释。首先,水分子在合金表面上很容易解离成为氢离子和氢氧根离子。由于氢离子的体积很小,可以很容易地进入合金内部,并且氢原子的存在可以显著降低合金内部形成空穴所需要的能量,使得空穴更加容易形成。其次,在纯氧环境下,合金中的空穴倾向于分离(当两个空穴聚集时能量升高)。而当氢原子进入空穴时,两个含有氢原子的空穴则倾向于聚集,并进一步促进合金内部形成更大的空穴。这一机制解释了以下实验现象:在纯氧环境下合金会形成致密的氧化物层,而在水蒸气环境下的合金氧化物则呈现多孔结构。最后,当氢原子存在时,合金内部金属原子扩散的势垒显著下降,使得金属原子更容易扩散,同样促进了氧化过程。

    

     这项成果不仅揭示了水蒸气在合金氧化过程中的重要作用,而且对于理解其他许多材料与化学应用中的现象也具有重要意义,例如在潮湿环境下发生的涉及物质输运过程的现象(腐蚀现象、各向异性催化效应以及离子导体等等)都可以利用该理论来协助理解。

     作者简介

    

     苏茂: 理论物理所在读博士生,研究方向:软物质与生物物理理论。

    

     王延颋:理论物理所研究员,研究方向:软物质与生物物理理论。

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