氢气是未来气候中性能源体系的基石。然而，如何安全地储存和运输氢气仍然是材料领域面临的一项重大挑战。不锈钢因其高强度、成本可控且应用广泛，被视为理想候选材料。但即便是先进钢种，也仍然容易受到腐蚀和氢脆的影响。氢脆是一种氢渗入金属内部、削弱内部键合、并最终可能导致材料突然失效的过程。
在一项最新研究中，由北京科技大学与马克斯·普朗克可持续材料研究所（MPI-SusMat）牵头的国际研究团队，开发出一种新型奥氏体不锈钢，同时解决了上述两大难题。相关研究成果已发表在期刊Science Advances上。
晶界是金属中最脆弱的缺陷之一。它们既是氢的快速扩散通道，也是电化学腐蚀反应的活跃位点。当可迁移的氢在这些界面处富集时，会产生局部应力集中，从而引发界面脱粘和裂纹扩展，这正是氢脆发生的机制。与此同时，腐蚀则源于材料微观结构与周围环境之间的电化学相互作用。
MPI-SusMat所长、本文通讯作者Dierk Raabe解释道“挑战在于开发一种在氢环境中依然保持机械可靠性，同时又具备高耐腐蚀性的奥氏体不锈钢。与此同时，这种材料还必须具备成本优势，并能兼容现有的制造工艺。由于晶界是最脆弱的缺陷部位，我们将研究重点放在从源头阻止氢在晶界处的侵入。”
研究人员并未仅依赖传统的表面氧化膜，而是将氮原子直接引入钢的晶界中。这种原子尺度的“装饰”能够有效阻断氢的进入，并在损伤发生之前抑制缺陷活性。其结果是一种成分为Fe-20Cr-9Ni-2.5Mn-1.6Mo-1Cu-0.2N的合金，与商业化316L不锈钢相比，其耐腐蚀性能提高了3.8倍，抗氢脆能力提升了1.35倍。
与通过析出相“捕获”氢的策略不同——后者往往会迅速饱和——晶界钝化提供了长期、稳定的防护效果。
这种新型合金成本可控、兼容现有工业加工路线，并且相较许多高性能替代材料具有更低的碳足迹。通过将耐久性、耐氢性和经济性相结合，该材料为更安全的氢气管道、储罐及运输与储存部件提供了一条切实可行的路径。
这种原子尺度设计策略还有望推广至其他合金体系，为能源、化工及基础设施领域开发更耐久的材料打开新的机遇。
原文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1833
（素材来自：北京科技大学/马克斯·普朗克可持续材料研究所 全球氢能网、新能源网综合）
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