《重腐蚀防护技术为海洋工程穿上“国产外衣”》

  • 来源专题:中国科学院文献情报制造与材料知识资源中心 | 领域情报网
  • 编译者: 冯瑞华
  • 发布时间:2020-03-26
  • 在海洋工程重腐蚀防护领域获得授权专利65件、为港珠澳大桥桥墩打造耐腐蚀的“钢筋铁骨”……中国科学院金属研究所“海洋工程重腐蚀防护技术研究与应用”团队近日荣获2019年度中国科学院“科技促进发展奖”,其研发的高性能涂层和牺牲阳极联合防护技术等,在我国重大海洋工程基础建设耐久性工作中发挥了重要作用。

    海洋工程的腐蚀防护是国际性难题。2018年10月,堪称桥梁界“珠穆朗玛峰”的世界最大跨海大桥——港珠澳大桥桥梁主体工程全面贯通。工程专家为港珠澳大桥设计了120年的使用寿命。

    “港珠澳大桥的钢管复合桩位于海泥环境中,防腐涂层的破坏方式主要来源于打桩过程中的机械损伤、泥砂碎石磨划伤和泥下腐蚀因素造成的长期侵蚀、性能衰退等。”研究团队负责人李京研究员介绍说,为此,研究人员通过调整涂层配方,制备出高致密涂层,其抗渗透能力大大提升。再经过特殊喷涂工艺,将干粉状的涂料喷涂在金属桩表面,使其与金属的粘结强度大大增强,同时涂层的耐划伤性也有了显著提升。

    此外,120年的耐久性设计要求仅仅依靠涂层防腐的防护手段是远远达不到的,必须与阴极保护技术联合使用。经反复研究,团队除完成了大桥基础钢管复合桩防护涂层工艺设计、阴极保护系统设计、原位腐蚀监测系统开发等工作,还研制出用于大桥桥墩的新一代高性能环氧涂层钢筋,为大桥桥墩打造了一副耐腐蚀的钢筋铁骨。

    截至目前,该团队已经在海洋工程重腐蚀防护领域已获得授权专利65件,编制国家标准3项,企业/行业标准5项,相关成果受邀参展“伟大的变革——庆祝改革开放40周年大型展览”。

相关报告
  • 《国家973计划 "海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究" 课题结题验收会召开》

    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:mall
    • 发布时间:2018-10-31
    • 10月17日,国家“973”计划“海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究”项目课题结题验收会在中国科学院宁波材料技术与工程研究所召开。来自上海交通大学、大连理工大学、北京科技大学、东北大学、中国科学院兰州化学物理研究所等的15位专家组成的验收组对该项目所属6个课题进行了审查验收。中国工程院院士薛群基主持验收会议。   宁波材料所所长黄政仁致辞,代表项目承担单位对各位领导、专家和项目组成员的到来表示热烈欢迎,感谢大家一直以来对宁波材料所的厚爱、支持与帮助。   项目首席科学家李晓刚首先做了项目总体情况汇报。各课题负责人依次从课题总体概况、课题完成情况、研究水平与创新性、成果产出与人才培养、经费使用情况和存在的问题六个方面汇报了课题开展五年来的研究成果。每个课题分别汇报半个小时、专家提问半个小时。经过五年的研究积累,项目在“多重海洋环境因素下材料腐蚀及损伤的力学-电化学交互作用机理与规律”、“高温高湿海洋环境下材料腐蚀的化学-电化学相互作用机理与规律”、“海洋环境中生物在材料表面的粘附与微生物腐蚀机理”和“深海和高湿热环境下新型耐蚀耐磨金属和防护材料的结构与性能调控”等基础研究方面均取得了重要研究成果,发表了多篇高水平研究论文,发现了许多新奇的现象和规律,从更深层次揭示了海工装备材料的腐蚀与防护机理,极大推动了我国腐蚀防护领域的长远发展。   与会专家就各课题的研究进展情况展开了热烈讨论,充分肯定了各课题的研究进展,认为各课题已经取得了一些重要而又有显示度的亮点工作,提升了我国在海工装备材料腐蚀防护研究方面的国际地位。同时,要注意加强各课题之间的衔接与区分,进一步做好凝练总结工作。薛群基强调要在前期研究工作基础上做好后续工作谋划,继续加强项目组成员之间的密切联系,争取做出世界一流成果,为我国海洋安全和海洋经济发展做出更大贡献。   会后,各位专家和项目成员对该项目其中一项重要应用成果——舟山基地380米世界最高输电塔防腐工程进行了实地观摩。   “海洋工程装备材料腐蚀与防护关键技术基础研究”项目是以中国科学院宁波材料所为项目依托单位,北京科技大学、中国科学院金属研究所、上海海事大学、中国科学院海洋研究所、钢铁研究总院、中船重工第725研究所和中国科学院宁波材料所等多家单位联合承担的国家重大基础研究计划(“973”项目)。该项目为宁波首次牵头的国家“973”项目,其研究目的是揭示海洋材料腐蚀和防护机制,提出特色鲜明的海洋环境耐蚀和防护材料的设计理论和制备方法,满足我国实施海洋战略对高性能海洋环境防护材料的需要。
  • 《中国科学院海洋研究所在海洋腐蚀防护太阳能驱动的光电持续阴极保护研究中取得新进展》

    • 来源专题:中国科学院文献情报系统—海洋科技情报网
    • 编译者:liguiju
    • 发布时间:2023-06-05
    • 中国科学院海洋所海洋腐蚀与防护团队段继周研究组在光电持续阴极保护研究方面,创新性地构建了储能型能带可调且梯度搭建的WO3/ZnO/Zn-Bi2S3多相结光电极,提升了海洋环境中金属腐蚀防护的光电持续阴极保护性能,成果发表于国际工程技术类TOP期刊《Chemical Engineering Journal》(IF=16.744)。 近年来,太阳能技术已广泛应用于各个领域。海洋环境服役的海工金属构筑物长期饱受严苛腐蚀,腐蚀失效触目惊心,海洋腐蚀防护关系着重大海洋工程和装备的发展,尤其在远离陆地的海洋区域,传统保护方法存在着电力资源缺乏、维护成本高等问题。而海洋环境中丰富的太阳能资源为金属的腐蚀防护提供了新对策,因地制宜的取用太阳能,经由光电半导体材料的光电转换效应,原位为金属提供光生电子进行阴极保护,可同时解决海洋腐蚀与能源利用和环境保护等问题。光电阴极保护新技术将半导体光电效应拓展到海洋防腐中,光照激发光电材料产生的光生电子传输至金属进行阴极极化,具有“绿色”环保无损耗特色。面对当前能源不断枯竭、环境污染严重的困境,该光电化学薄膜新技术新材料的开发将利用清洁太阳能缓解海洋腐蚀难题,也可为高日照辐射的热带海域的腐蚀防护难题的解决提供新思路。 为解决在缺乏光照时,半导体光电材料无法抑制腐蚀电化学发生、腐蚀防护特性无法保持的瓶颈问题,研究人员成功构建了储能型WO3/ZnO/Zn-Bi2S3多相结光电极,使光电体系兼具储电子特性,提升了光照后的暗态下持续阴极保护性能,加强长效保护能力。3D纳米刺团簇状WO3/ZnO/Zn-Bi2S3多相结光阳极,仅暴露于100 s的模拟太阳光照射下,可存储5.27×10-2 C电子,并在闭光后为耦联金属提供5460 s的持续电流输出,分别是双相结WO3/ZnO和WO3/Zn-Bi2S3光电极的10.8和3.5倍,暗态持续阴极保护性能大幅提升。具有W6+/W5+可逆价态转变的WO3纳米刺团簇基底,兼具大的表面积和一维电子传输路径,可在光照下存储光生电子,并在闭光后有效释放电子。而在WO3和Zn-Bi2S3之间引入“载流子跳板”ZnO中间体后构建的三相异质结有助于建立匹配良好的能带梯度,加强光生电子/空穴背向迁移;通过掺杂Zn元素,将Bi2S3敏化剂的能带向负方向调节,提升光电阴极保护应用性能;Bi3+/Bi5+的可逆价态转变促进了光生空穴向外层的抽离消耗。最终,协同增强了WO3/ZnO/Zn-Bi2S3光阳极在光照及黑暗条件下的持续光电阴极保护性能。该设计为开发用于持续光电阴极保护的储能型复合光电极提供了借鉴,也可为光电容器、储能、暗态催化等其他光电化学应用领域中复合材料的设计拓展思路。 结合DFT第一性原理计算研究发现,Zn掺杂可精准调控Bi2S3能带结构,使其导带负移带隙变宽。导带负移增强光生电子还原能力,带隙的适度加宽有利于抑制材料内部光生载流子的复合。在WO3和Zn-Bi2S3之间引入ZnO,作为中间“载流子跳板”,打破了WO3/Zn-Bi2S3体系的Z构型,构建II型匹配的三相异质结具有更好的能带梯度匹配,增强了光生电子和空穴的分离及背向转移并减少了储电子的损耗,大幅提升了暗态阴极保护性能。 研究推测机理如下,在模拟太阳光照射下,由于界面异质结内电场作用和形成的导带梯度,激发到WO3、ZnO和Zn-Bi2S3的导带中的光生电子将逐步从Zn-Bi2S3迁移到WO3。一部分光生电子将被转移到耦联金属以进行阴极极化,另一部分将通过参与W6+/W5+的价态转换存储在WO3中。在暗状态下,储存在WO3中的光生电子将继续向金属迁移,以提供持续的阴极保护。相应地,光生空穴将向外层反向转移,迁移到Zn-Bi2S3表面的光生空穴将通过参与Bi3+/Bi5+的价态转变和其他氧化还原反应而被持续抽离消耗。Zn-Bi2S3组分除光电转换作用外兼具空穴消耗和转移辅助层的作用,提高了载流子转移效率。具有优异的光吸收、光生电子输出、低界面电阻、低表面功函数和良好的电子存储性能的WO3/ZnO/Zn-Bi2S3光电极,在海洋环境金属材料的光电阴极保护中显示出巨大的应用潜力,为构建更高效的阴极保护用储能型光电极提供了思路。 论文第一作者为中国科学院海洋所博士研究生杨玉莹,通讯作者为孙萌萌副研究员,研究得到了国家自然科学基金、山东省优青项目及中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目等资助。 文章信息: Yang Yuying, Sun Mengmeng, Chen Zhuoyuan, Xu Hengyue, Wang Xiaohui, Duan Jizhou, Hou Baorong. 3D nanothorn cluster-like Zn-Bi2S3 sensitized WO3/ZnO multijunction with electron-storage characteristic and adjustable energy band for improving sustained photoinduced cathodic protection application. Chemical Engineering Journal, 2023 (458): 141458. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.141458