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天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì) CEJ:面向氫能管道儲運(yùn)的新型雙功能復(fù)合涂層
2022-07-13  來源:高分子科技

  隨著傳統(tǒng)化石燃料和傳統(tǒng)能源的逐漸枯竭和環(huán)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(xù)性毫無疑問被認(rèn)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?yàn)闅錃鈿怏w分子小,容易滲透到金屬內(nèi)部,發(fā)生氫脆,導(dǎo)致裝備或運(yùn)輸管道失效,發(fā)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(jī)涂層或膜來有效降低氫的滲透率。然而,在實(shí)際管道運(yùn)輸過程中的涂層防腐能力也必須保障,這是因?yàn)閻毫拥某睗窀g環(huán)境也會導(dǎo)致輸氫管道或裝備的失效,從而導(dǎo)致氫氣儲運(yùn)風(fēng)險。因此,開發(fā)出一種既能有效降低氫滲透又能提升防腐能力的有機(jī)復(fù)合涂層至關(guān)重要,且對于大規(guī)模氫能利用具有重要意義。


  針對上述問題,天津大學(xué)汪懷遠(yuǎn)教授團(tuán)隊(duì)進(jìn)行細(xì)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(diào)控涂層組成-微結(jié)構(gòu)和界面特性從而獲得FAS-CeO2@GFs/EP復(fù)合涂層,可涂覆在各種金屬材料表面。由于增強(qiáng)屏蔽和稀土獨(dú)特氧空位吸附效應(yīng),減少了樹脂中的自由體積,功能涂層可阻止腐蝕介質(zhì)的進(jìn)一步滲透,大幅降低H2和腐蝕性介質(zhì)的滲透擴(kuò)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(qū)高阻抗值,并且可以耐受連續(xù)苛刻鹽霧試驗(yàn)。與純樹脂涂層相比,功能涂層的H2滲透系數(shù)降低65.6%,附著強(qiáng)度高達(dá)6.35 MPa,具有廣泛的工業(yè)應(yīng)用前景。 


1.a)制備復(fù)合填料時發(fā)生的具體化學(xué)方程式;(b)復(fù)合填料的制備過程;(c)復(fù)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(fù)合涂層和純EP涂層的等效擬合電路圖;(cd)根據(jù)等效電路圖所計(jì)算出的RpRct 


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


5.a復(fù)合涂層的HGTR數(shù)值及純EP不同填料含量的復(fù)合涂層的H2滲透系數(shù)值;b)氣體滲透儀;(c-e復(fù)合涂層的H2氣體分子滲透過程和氣體分子數(shù)量減少機(jī)理示意圖;(f1-f4CeO2晶格結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的的氧空位的吸氫過程


  相關(guān)工作以“A novel dual-functional epoxy-based composite coating with exceptional anti-corrosion and enhanced hydrogen gas barrier properties”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal。天津大學(xué)化工學(xué)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(xué)化工學(xué)院汪懷遠(yuǎn)教授。


  汪懷遠(yuǎn),天津大學(xué)講席教授,化工學(xué)院副院長,杰青,國家萬人計(jì)劃入選者等,化工安全與裝備技術(shù)天津市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任,管材腐蝕與防護(hù)技術(shù)研發(fā)中心主任。長期從事油氣存儲與流動保障技術(shù)、材料表界面設(shè)計(jì)與強(qiáng)化、新型功能涂層、CCUS中腐蝕與防護(hù)、能源裝備防護(hù)等研究。承擔(dān)了20余項(xiàng)省部級以上科研項(xiàng)目及龍頭企業(yè)研發(fā)課題。主編專著/教材2部,申請國家發(fā)明專利60余項(xiàng),授權(quán)美國專利2項(xiàng),發(fā)表中英文論文180余篇,其中SCI論文160篇。曾獲國家技術(shù)發(fā)明二等獎、全國百篇優(yōu)秀博士論文,及其它省部級獎勵8項(xiàng)。


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

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