科学家利用原子级模拟方法,发现铁会在CO₂中催化自身腐蚀反应

2022-01-24 19:35:23 前瞻网
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在水中生锈的铁,理论上不应该在与“惰性”的二氧化碳超临界流体接触时发生腐蚀,但事实上它确实如此。

到目前为止,材料科学家还没有找到原因,但是莱斯大学(Rice University)的研究团队有一个理论,可能有助于制定新的策略来保护铁免受环境影响。

研究小组通过原子级模拟发现,当暴露在超临界二氧化碳(sCO2)和微量的水中时,铁本身在其自身的腐蚀中起着作用,因为它促进了流体中活性物质的形成,这些活性物质会回来攻击它。

研究的结论是,二维材料(如石墨烯或六方氮化硼)的薄疏水层,可以用作铁原子和sCO 2活性元素之间的屏障。

超临界流体是指在一定温度和压力下的材料,使其大致处于两相之间——比如说,不全是液体,但还不全是气体。据研究人员称,sCO2的特性使其成为一种理想的工作流体,因为它"基本上是惰性的",无腐蚀性且成本低。

研究人员认为,消除腐蚀是一个持续的挑战,现在很多人都在考虑这个问题。铁自古以来就是基础设施的支柱,但直到现在我们才能够从原子上了解它是如何被腐蚀的。

莱斯实验室的模拟显示了细节中的魔鬼。以前的研究将腐蚀归因于超流体中存在大量的水和其他污染物,但情况并不一定如此。水作为sCO2中的主要杂质,提供了一个氢键网络,以引发与CO2和其他杂质如氧化亚氮的界面反应,并形成对铁有害的腐蚀性酸。

模拟结果还显示,铁本身起到了催化剂的作用,降低了铁和sCO2界面的反应能量障碍,最终导致了一系列腐蚀性物种的形成:氧气、氢氧化物、羧酸和亚硝酸。

对研究人员来说,这项研究说明了理论模型有助于解决复杂化学问题,在这种情况下,可以预测热力学反应,并估计铁和sCO 2之间界面处的腐蚀速率。研究还表明,如果超流体中存在一丁点儿的水,一定会进一步加速铁的腐蚀。

题为Iron corrosion in the “inert” supercritical CO2, ab initio dynamics insights: How impurities matter的相关研究论文发表在《物质》上。

前瞻经济学人APP资讯组

论文原文:

https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(21)00677-9?_returnURL=https%3A%2F%2Flinkinghub.elsevier.com%2Fretrieve%2Fpii%2FS2590238521006779%3Fshowall%3Dtrue

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