材料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

2022-03-09

在水中生锈的铁，理论上不应该再与“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sCO2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，现在很多人都在关注这个问题。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。

莱斯实验室通过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sCO2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。