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天津大學汪懷遠教授團隊 CEJ:面向氫能管道儲運的新型雙功能復合涂層
2022-07-13  來源:高分子科技

  隨著傳統化石燃料和傳統能源的逐漸枯竭和環保意識的提高,尋找更加清潔和綠色的能源已刻不容緩。氫能(H2)由于其高燃燒熱和可持續性毫無疑問被認為是一種可替代的能源。但如何更加安全和可靠地輸送和利用氫氣是目前面對的主要問題,這是因為氫氣氣體分子小,容易滲透到金屬內部,發生氫脆,導致裝備或運輸管道失效,發生泄漏從而造成重大損失。因此如何有效降低氫滲透是利用氫能亟需解決的問題之一。之前有研究人員提出采用有機涂層或膜來有效降低氫的滲透率。然而,在實際管道運輸過程中的涂層防腐能力也必須保障,這是因為惡劣的潮濕腐蝕環境也會導致輸氫管道或裝備的失效,從而導致氫氣儲運風險。因此,開發出一種既能有效降低氫滲透又能提升防腐能力的有機復合涂層至關重要,且對于大規模氫能利用具有重要意義。


  針對上述問題,天津大學汪懷遠教授團隊進行細致探索研究,提出基于二維片狀材料(GFs)作為抗氫氣滲透和防腐填料,利用水熱法在其表面原位生長低表面能改性的納米稀土作為儲氫和緩蝕的納米粒子,調控涂層組成-微結構和界面特性從而獲得FAS-CeO2@GFs/EP復合涂層,可涂覆在各種金屬材料表面。由于增強屏蔽和稀土獨特氧空位吸附效應,減少了樹脂中的自由體積,功能涂層可阻止腐蝕介質的進一步滲透,大幅降低H2和腐蝕性介質的滲透擴散作用。最佳涂層樣品在鹽水浸泡60 d后仍能維持2×1010ohm?cm2的低頻區高阻抗值,并且可以耐受連續苛刻鹽霧試驗。與純樹脂涂層相比,功能涂層的H2滲透系數降低65.6%,附著強度高達6.35 MPa,具有廣泛的工業應用前景。 


1.a)制備復合填料時發生的具體化學方程式;(b)復合填料的制備過程;(c)復合涂層的制備流程 


2. 不同填料含量涂層橫截面:a30%;(b40%;(c50%;(d60% 


3.ab)適用于復合涂層和純EP涂層的等效擬合電路圖;(cd)根據等效電路圖所計算出的RpRct 


4.a EP 中腐蝕性介質滲透過程圖;bFAS-CeO2@GFs/EP中腐蝕性介質滲透;(c) 填料含量過多時腐蝕介質在復合涂層中的滲透作用(d) EP涂層和基板界面發生的氧化還原反應;(e)和(fFAS-CeO2@GFs/EP復合涂層和基板界面處形成納米鈍化層 


5.a復合涂層的HGTR數值及純EP不同填料含量的復合涂層的H2滲透系數值;b)氣體滲透儀;(c-e復合涂層的H2氣體分子滲透過程和氣體分子數量減少機理示意圖;(f1-f4CeO2晶格結構所產生的的氧空位的吸氫過程


  相關工作以“A novel dual-functional epoxy-based composite coating with exceptional anti-corrosion and enhanced hydrogen gas barrier properties”為題發表在Chemical Engineering Journal。天津大學化工學院博士研究生袁思成為論文第一作者,通訊作者為天津大學化工學院汪懷遠教授。


  汪懷遠,天津大學講席教授,化工學院副院長,杰青,國家萬人計劃入選者等,化工安全與裝備技術天津市重點實驗室主任,管材腐蝕與防護技術研發中心主任。長期從事油氣存儲與流動保障技術、材料表界面設計與強化、新型功能涂層、CCUS中腐蝕與防護、能源裝備防護等研究。承擔了20余項省部級以上科研項目及龍頭企業研發課題。主編專著/教材2部,申請國家發明專利60余項,授權美國專利2項,發表中英文論文180余篇,其中SCI論文160篇。曾獲國家技術發明二等獎、全國百篇優秀博士論文,及其它省部級獎勵8項。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2022.137876

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(責任編輯:xu)
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