中德團隊開發新型不銹鋼材料，大幅提升氫氣儲運安全性

氫氣是未來氣候中性能源體系的基石。然而，如何安全地儲存和運輸氫氣仍然是材料領域面臨的一項重大挑戰。不銹鋼因其高強度、成本可控且應用廣泛，被視為理想候選材料。但即便是先進鋼種，也仍然容易受到腐蝕和氫脆的影響。氫脆是一種氫滲入金屬內部、削弱內部鍵合、并最終可能導致材料突然失效的過程。

在一項最新研究中，由北京科技大學與馬克斯·普朗克可持續材料研究所（MPI-SusMat）牽頭的國際研究團隊，開發出一種新型奧氏體不銹鋼，同時解決了上述兩大難題。相關研究成果已發表在期刊Science Advances上。

晶界是金屬中最脆弱的缺陷之一。它們既是氫的快速擴散通道，也是電化學腐蝕反應的活躍位點。當可遷移的氫在這些界面處富集時，會產生局部應力集中，從而引發界面脫粘和裂紋擴展，這正是氫脆發生的機制。與此同時，腐蝕則源于材料微觀結構與周圍環境之間的電化學相互作用。

MPI-SusMat所長、本文通訊作者Dierk Raabe解釋道“挑戰在于開發一種在氫環境中依然保持機械可靠性，同時又具備高耐腐蝕性的奧氏體不銹鋼。與此同時，這種材料還必須具備成本優勢，并能兼容現有的制造工藝。由于晶界是最脆弱的缺陷部位，我們將研究重點放在從源頭阻止氫在晶界處的侵入。”

研究人員并未僅依賴傳統的表面氧化膜，而是將氮原子直接引入鋼的晶界中。這種原子尺度的“裝飾”能夠有效阻斷氫的進入，并在損傷發生之前抑制缺陷活性。其結果是一種成分為Fe-20Cr-9Ni-2.5Mn-1.6Mo-1Cu-0.2N的合金，與商業化316L不銹鋼相比，其耐腐蝕性能提高了3.8倍，抗氫脆能力提升了1.35倍。

與通過析出相“捕獲”氫的策略不同——后者往往會迅速飽和——晶界鈍化提供了長期、穩定的防護效果。

這種新型合金成本可控、兼容現有工業加工路線，并且相較許多高性能替代材料具有更低的碳足跡。通過將耐久性、耐氫性和經濟性相結合，該材料為更安全的氫氣管道、儲罐及運輸與儲存部件提供了一條切實可行的路徑。

這種原子尺度設計策略還有望推廣至其他合金體系，為能源、化工及基礎設施領域開發更耐久的材料打開新的機遇。

原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adz1833

（素材來自：北京科技大學/馬克斯·普朗克可持續材料研究所 全球氫能網、新能源網綜合）