获奖项目名称：

纳米金属电极材料的腐蚀行为与服役稳定性调控机制

第一完成单位：

北京科技大学

项目联系人：

张博威

联系人电话：

13552178795

联系人邮箱：

bwzhang@ustb.edu.cn

项目简介：

2.1 研究目的
  纳米金属材料凭借其独特的光、电、磁等物理特性以及优异的表面化学性质，在微纳器件、多相催化、电化学传感、燃料电池及生物医药等前沿领域展现出广阔的应用前景。由于其显著的小尺寸效应、极高的比表面积，以及表面丰富的缺陷与悬空键等活性位点，纳米金属在能源转化等电极材料应用领域展现出远优于传统块体金属的反应活性。然而，高反应活性也给纳米金属电极带来了严峻的服役稳定性挑战，其中腐蚀问题尤为突出，已成为制约其实际工程应用的关键瓶颈之一。值得关注的是，纳米电极材料的腐蚀行为在研究方法和理论基础上均显著区别于传统宏观金属，其机理研究已成为当前材料腐蚀与电化学领域的关键科学难题。目前，针对纳米金属在溶液环境中的腐蚀微观机制及其对应的电化学反应规律的系统研究尚处于起步阶段，相关理论认知的缺乏严重制约了高性能、高稳定性纳米金属电极材料的理性设计与应用推广。依托国家自然科学基金重大研究计划、面上基金等基础研究项目的支持，申报团队致力于系统探究纳米金属电极材料的腐蚀行为及其服役稳定性调控机制，旨在揭示其微观腐蚀动力学过程与材料成分-结构的内在关联，为发展面向实际应用的纳米电极材料稳定性提升策略提供理论依据与实验支撑。
2.2 主要科学发现
  （1）在国际上首次在原子尺度解析了Cu、Ni、316L不锈钢等纳米单体金属表面膜的微观结构、成分分布及其与基体的晶体学关联。基于原位/准原位表征方法，系统揭示了金属元素种类、暴露晶面等材料因素以及pH、温度、电位等环境参量对纳米金属表面腐蚀行为和机理的影响规律。
  （2）系统揭示了FeCoNi基多元合金纳米电极材料在苛刻服役环境中的腐蚀失效行为与表面演化规律，明确了合金元素溶解和腐蚀成膜等表面重构过程对电极材料服役稳定性的关键影响，建立了以构筑稳定表面结构为导向的纳米电极金属材料成分设计方法体系。
  （3）提出了基于“功能膜层精准构筑”、“刻蚀诱导3D机制”等的腐蚀工程策略，成功制备出兼具高反应活性与优异服役稳定性的系列纳米金属电极材料，从电子结构、晶格缺陷与界面特性等多个维度，揭示了电极材料在服役过程中稳定性提升的微观机制。
2.3 成果产生的价值
  研究成果在本领域起到引领性作用，国内外研究机构沿用本项目的理论和技术开展研究工作。成果共发表SCI论文90篇，5篇代表作发表在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Advanced Science等国际顶级期刊；被Nature Reviews、Nature Communications、Corrosion Science等顶刊大量引用和评述，总被引达6916余次，在纳米金属电极材料研究领域处于领先地位。该成果为高稳定性纳米金属电极材料研发提供了重要技术基础，实现了多元金属纳米电极材料在燃料电池、能源转化等领域的工程应用，使用寿命相比同类电极材料延长200%以上，截止目前已实现销售收入超1800万元。