纳米碳表面修饰碳钢耐海水腐蚀性能及机理研究

随着海洋资源的不断开发，海洋用钢的耐蚀及防微生物附着的要求越来越高。鉴于超疏水膜对海洋微生物具有良好的抑制作用，利用Fe3C结构可以催化甲烷长纳米管的成功研究, 以及石墨化纳米碳的耐高温、耐腐蚀、超疏水等优异性能，本项目提出在碳钢表面原位渗长纳米石墨化碳。主要采用金属表面层元素重组装技术在碳钢表面制造纳米级金属催化剂，以甲烷为原料经催化裂化后在碳钢表面原位渗纳米石墨化碳，形成的碳纳米管与基体表面结合牢固，具有极大的疏水性；应用电化学等相关技术研究碳纳米管抗海洋微生物附着腐蚀的性能；利用扫描电镜等完成碳纳米管表面腐蚀形貌、微观结构等的系统表征；采用密度泛函理论方法深入原子、分子层次揭示碳纳米管表面与海洋微生物的界面作用机制，找出导致腐蚀的结构因子；最终拟合实验与理论数据建立一套可用来表征材料耐海水腐蚀性能的量子化学参数。.本申请项目的研究成果将为我国海洋钢铁材料的设计、开发和应用提供指导。

采用专业培养基以及分离纯化方法获得了SRB优势菌种，并通过测定细菌生长曲线的方法研究该菌种的生长规律。此外，通过革兰氏染色法及光学显微镜和透射电镜观测，鉴定SRB优势菌种为脱硫弧菌。. 采用实验室静态挂片法将碳钢浸泡于含有脱硫弧菌中的天然无菌海水中，并与无菌海水进行对比分析碳钢的腐蚀行为，通过观察不同时期的腐蚀形貌发现碳钢在含有脱硫弧菌海水中的腐蚀较为严重。碳钢渗碳前在脱硫弧菌中的平均腐蚀速率先快速下降，后趋于平缓，腐蚀电位先快速负移后再正移。渗碳后，腐蚀电位发生了明显的正移，腐蚀电流大幅降低，整个频率范围内的阻抗值都显著升高，说明碳钢基体受到了碳膜的有效保护，腐蚀溶解速度降低，表现出良好的耐腐蚀性能。. 利用分子动力学方法从原子、分子角度研究了碳纳米管与Fe(100)表面的界面结合机理，发现碳纳米管置于Fe(100)表面附近时，由于范德华力的吸引作用，会靠近Fe(100)表面，并在其表面发生塌陷，逐渐形成石墨带状结构覆盖在Fe(100)表面上。此外，本项目组还系统分析了不同直径，不同重复单元以及多壁碳纳米管对界面结合的影响，结果发现，随着碳纳米管直径的增大，重复单元数目的增多，碳纳米管与Fe(100)表面结合的越紧密，结合能越大。对于多壁碳纳米管，随着壁数的增多，碳纳米管不仅塌陷的速度加快，而且与Fe(100)表面结合也更加紧密。本项目还通过分子动力学计算了H2S与Fe(100)表面的结合能，远低于碳纳米管与Fe(100)表面的界面结合能，可见碳纳米管可以有效阻隔H2S分子在碳钢表面的附着腐蚀。.利用密度泛函理论方法优化了H2S分子，并对获得的最稳定分子结构进行了NBO分析，从原子、分子角度探讨了碳钢渗碳前后抗脱硫弧菌的腐蚀机理。计算结果显示S原子具有负电性，容易与Fe原子的3d空轨道形成配位键，而碳纳米管中的C原子之间的离域大π键，无富余空轨道接受S原子上的电子，进一步暗示H2S很难附着到碳膜表面上，尤其是当碳纳米管塌陷成带状石墨片后，覆盖面积更大，可以更好地隔离溶液环境，起到防微生物附着腐蚀作用。..