【儀表網 研發快訊】新型熱能儲能系統普遍采用高溫氯化物熔鹽作為儲熱介質，這些高腐蝕性熔鹽在高溫運行環境下會對系統中合金結構材料造成嚴重腐蝕，開發新型耐高溫腐蝕結構材料成為推動該能源領域發展的關鍵。具有獨特層狀結構的三元碳化物MAX相材料(Mn+1AXn)兼具金屬的優異導電導熱性與陶瓷材料固有的高熔點、高熱穩定性和良好機械強度，是下一代高溫結構材料的理想候選者。該類材料的六方晶系結構由交替排列的M6X八面體層和A元素原子層構成，層間相對較弱的M-A鍵在極端環境下(高溫氧化、腐蝕、電化學等)會發生顯著的化學氧化，從而造成結構轉變和物理性能的惡化。如何改善MAX相材料M-A亞層在極端條件上的結構穩定性是面向應用亟需攻克的難題。
近期，中國科學院寧波材料技術與工程研究所全省數據驅動高安全材料及應用重點實驗室科研人員成功合成V2(Sn1-xRux)C(x = 0, 0.05, 0.1, 0.2)固溶型MAX相材料，其中A位原子引入了具有高氧化還原電位的釕(Ru)元素。腐蝕研究表明，相對比常規V2SnC材料，V2(Sn0.8Ru0.2)C在700℃的MgCl2-NaCl-KCl熔鹽中腐蝕100小時后，表現出增重行為——這源于其表面形成了致密的保護性腐蝕產物層，且腐蝕層厚度從33.2 μm顯著降低至9.7 μm，未發現明顯腐蝕裂紋。700℃原位電化學測試研究發現Ru的引入使MAX相材料的開路電位從0.96 V顯著正移至1.16 V，氧化電流密度大幅降低，表明其熱力學穩定性和動力學耐腐蝕性均得到增強。該研究揭示了A位引入貴金屬元素能夠抑制腐蝕性元素擴散，促進保護性鈍化層形成，為MAX相用于下一代聚光太陽能系統等極端環境應用提供了新思路。
該成果以“A-Site substitution in V2SnC MAX phase for enhanced corrosion resistance in high-temperature molten salts”為題發表在Electrochimica Acta上(Electrochimica Acta 544 (2025) 147700)。本研究得到了國家自然科學基金(12435017, U23A2093, 52172254, 52202325)等項目的資助。
圖1 MAX相材料A層引入Ru后前后腐蝕結果：(a) MAX相塊體100小時腐蝕后的表面/截面SEM及元素分布譜圖；(b) 腐蝕前后宏觀表面形貌及質量變化：(c) 700℃熔融MgCl2-NaCl-KCl中五種材料電化學測試
圖2 (a) MAX相材料A層引入Ru后對電子調控示意圖；(b) MAX相腐蝕層變化示意圖
(先進核能材料實驗室 李嘉祥)
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