科学界首次发现“氢脆”机理，有望为氢经济打开通道

近日，《Science》报道了悉尼大学Julie Cairney教授团队首次发现氢是如何引起钢铁脆化的证据。该研究朝安全、大规模地生产，储存和运输氢气迈出了重要一步，有望为氢经济打开“通道”。

氢是一种零碳能源，有可能替代化石燃料。但是，使用世界上最重要的工程材料——钢来安全地存储和运输氢气尚存在挑战。这项研究为我们提供了解决这一问题的关键见解，向实施清洁燃料迈出了积极一步。——悉尼大学Julie Cairney

当前，全球希望利用氢来推动能源加速转型，以应对气候变化。但是向氢经济的过渡需要大量存储和分配氢气的基础设施。在当前的碳经济中，许多传统的管道和燃烧系统都使用钢或合金钢。不幸的是，氢会破坏钢的结构完整性，这一过程称为脆化。此前，科学家们尚未确定“氢脆”的发生机制。

近日，悉尼大学Julie Cairney教授团队使用一种“低温转移原子探针层析成像”的先进技术，可以有效观察到氢原子在钢材料内部的活动。这项研究发现氢聚集在称为位错的微结构中以及构成钢的单个晶体之间的边界处，随着越来越多的氢积累在这些位错中，导致钢晶体分离，裂缝开始发展，进而脆化。该成果已发表在1月10日的《科学》杂志。

该图显示了氢（红色）与钢的晶体结构中的位错关系

该图显示了钢中晶体边界和位错处氢原子（红球）的浓度

该研究还第一次发现了钢中的碳化铌团簇会捕获氢，防止氢原子向位错和晶界移动并积累。文首的原子探针图像显示了钢中富碳（蓝色）位错处氢（红色）的积累，这一证据为氢脆起源的理论预测奠定了基础，同时对于设计耐脆性钢至关重要——碳化物为确保高强度钢在纯氢环境中不易过早断裂和降低韧性提供了解决方案。未来，研究人员可以部署碳化铌或类似质量的化合物来开发抗氢脆的钢。

值得注意的是，该项研究由澳悉尼大学、中信金属公司、中国科技大学、上海交通大学共同完成。尤其是与中信金属公司（CITIC Metal）合作，研究人员能够利用澳大利亚显微技术公司最先进的定制设备——低温原子探针显微镜直接观察氢原子在钢材料内部的活动。此前，中信微合金化技术中心、巴西CBMM公司与北京科技大学材料学院于2004年联合组建京科技大学-中信-CBMM铌钢实验室，大力开展铌微合金化高强度钢的理论研究和品种开发，推广铌微合金化技术的应用，促进我国钢铁工业的技术进步。（图片来源：悉尼大学）