復(fù)雜服役條件下的微生物腐蝕機理與防護研究取得重要進展

2025年04月14日 09:48:52 人氣: 14205 來源: 中國科學(xué)院金屬研究所

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】隨著海洋、能源和航空航天等領(lǐng)域的快速發(fā)展，材料在復(fù)雜服役環(huán)境中的耐久性問題日益突出。微生物腐蝕(MIC)已成為威脅重大工程裝備安全性和服役壽命的關(guān)鍵因素之一。與傳統(tǒng)化學(xué)或電化學(xué)腐蝕不同，MIC涉及微生物代謝產(chǎn)物、生物膜形成及群落協(xié)同作用等多尺度和多物理場耦合過程，其機理更為復(fù)雜，防護技術(shù)成為重大挑戰(zhàn)。因此，深入揭示復(fù)雜條件下微生物腐蝕的作用機制，開發(fā)綠色、穩(wěn)定和長效的防護體系，對保障關(guān)鍵設(shè)施可靠運行和推動新材料研發(fā)具有重要意義。

　　近日，中國科學(xué)院金屬研究所孫成研究員團隊基于海洋、油氣田及新能源等領(lǐng)域微生物腐蝕研究的長期積累(Corrosion Science 248,2025,112797；Corrosion Science 237,2024,112341；Corrosion Science 233,2024,112102;Corrosion Science,216,2023,111084；Corrosion Science 207,2022,110573；Corrosion Science 200,2022,110228；Corrosion Science 193,2021,109893等)，聯(lián)合金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心王宇佳研究員團隊和東北大學(xué)徐大可教授團隊，在微生物腐蝕控制領(lǐng)域取得突破性進展。團隊成功開發(fā)出具有"離子調(diào)控"功能的Cu-Ag雙金屬納米粒子水溶膠，該技術(shù)通過原子級精準的結(jié)構(gòu)設(shè)計實現(xiàn)了銀離子釋放動力學(xué)的程序化調(diào)控，使抗菌性能大幅提升。密度泛函理論計算發(fā)現(xiàn)雙金屬界面特有的電子轉(zhuǎn)移效應(yīng)可顯著增強抗菌活性，在50 ppm低濃度下即可使典型腐蝕性硫酸鹽還原菌(SRB)附著量降低5個數(shù)量級，有效抑制生物膜形成。同時開發(fā)的原位聚合物包覆技術(shù)成功攻克了納米顆粒在高鹽環(huán)境中的團聚失效難題。實驗證實該溶膠在50 ppm濃度下對X80鋼的MIC抑制率高達90%以上。這一研究為設(shè)計下一代智能防腐材料提供了全新理論范式，將為我國油氣開發(fā)、儲氫設(shè)施等國家重大工程中的MIC防護提供關(guān)鍵防護保障。

　　相關(guān)研究工作以“Synthesis of Cu-Ag Bimetallic Nanoparticle Hydrosols and Their Superior Antibacterial Performances for Control of Microbial Corrosion by Desulfovibrio Desulfuricans Biofilm”為題發(fā)表于Adv. Funct. Mater. 2025,2500354。東北大學(xué)與金屬所聯(lián)合培養(yǎng)碩士生李昌鵬、金屬所博士生才政為論文的共同第一作者，金屬所韋博鑫副研究員、許進研究員和東北大學(xué)徐大可教授為論文的共同通訊作者。

　　該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金(U24A2032和52301115)、國家杰出青年科學(xué)基金(52425112)和中國博士后科學(xué)基金(2023M743575)的資助。

圖1. Cu-Ag BNPs水溶膠的制備和表征

圖2. Cu-Ag BNPs水溶膠殺菌和緩蝕性能測試結(jié)果

圖3. Cu-Ag BNPs水溶膠緩蝕性能電化學(xué)評價

圖4. 腐蝕產(chǎn)物膜的XPS和ToF-SIMS表征分析

　　圖5. Cu-Ag BNPs水溶膠金屬離子吸附與脫附DFT計算與抗菌-緩蝕機理示意圖

關(guān)鍵詞：微生物腐蝕機理與防護

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