316L不锈钢在600℃熔融NaOH中的外加电流阴极保护机制及腐蚀行为研究

本研究针对316L不锈钢在高温熔融NaOH中的严重腐蚀问题，创新性地采用外加电流阴极保护(ICCP)技术。研究人员通过动态极化和计时电流法测试，结合形貌表征和腐蚀速率计算，发现-0.2V vs.OCP电位下腐蚀速率降低66%，而-0.4V vs.OCP时因Na2O生成导致腐蚀加剧。该研究为高温熔盐环境中的腐蚀防护提供了新思路，对核反应堆和热能存储系统材料选择具有重要指导意义。

　　

在高温工业领域，熔融氢氧化钠(NaOH)因其优异的储热性能和低廉成本，被广泛应用于核反应堆中子慢化剂和热能存储系统。然而，当温度升至600℃时，这种强碱性熔盐会像"液态火焰"般侵蚀金属材料，其中价格适中的316L不锈钢(AISI 316L)尤其面临严峻挑战。传统防护方法如氢气氛保护存在爆炸风险，而碱度调控又难以形成稳定钝化膜。面对这一困境，丹麦技术大学(Technical University of Denmark)与Seaborg Technologies的研究团队另辟蹊径，将海洋工程中成熟的外加电流阴极保护(ICCP)技术引入高温熔盐体系，其创新性研究近期发表在《Heliyon》期刊。

研究团队采用三电极体系，以Na/Na⁺为参比电极，通过动态极化确定保护电位窗口，并在48小时计时电流实验中系统考察了从开路电位(OCP)到-0.6V vs.OCP四个电位下的腐蚀行为。结合扫描电镜(SEM)和能谱分析(EDS)，揭示了腐蚀产物层的微观结构演变规律。特别关注了不同电位下Na₂O生成对腐蚀机制的调控作用。

在"动态极化"部分，研究显示316L不锈钢在0.75V vs.Na/Na⁺以上出现急剧的阳极电流增长，表明活性腐蚀状态。当电位低于0.05V vs.Na/Na⁺时，阴极电流密度超出仪器量程，预示钠离子还原反应的发生。"计时电流法"结果显示，-0.1V vs.OCP条件下电流稳定，而-0.2V vs.OCP时电流持续上升，可能与熔盐中O^2-浓度增加有关。最具戏剧性的是-0.4V vs.OCP条件下的电流先升后降，反映钠金属生成导致的"自催化"腐蚀过程。

"质量损失与腐蚀产物形貌"分析表明，适度阴极保护能显著改变腐蚀特征。-0.1V vs.OCP使腐蚀速率从30.8±3.9 mm/年降至15.8±1.7 mm/年，腐蚀层厚度由350μm减至150μm，且裂纹减少。EDS显示腐蚀产物呈现典型的两相结构：金属相主要为铁，氧化物相则包含Cr、Fe、Ni、Na等元素。值得注意的是，在-0.4V vs.OCP条件下，虽然腐蚀层厚度仅70μm，但腐蚀速率却激增至53.2±10.7 mm/年，且试样出现"肿胀"现象。

研究在"讨论"部分深入解析了这种反常现象：当电位负移至-0.4V vs.OCP时，阴极反应生成的钠金属会立即与NaOH反应生成Na₂O（式11-12），后者进一步与铁反应形成可溶性的Na₄FeO₃（式13）。这一发现完美解释了为何在强阴极极化下会出现"越保护越腐蚀"的悖论。同时，研究还观察到熔盐-大气界面处的特殊腐蚀现象，推测可能与H₂气泡逸出引起的对流效应有关。

该研究的核心结论是：在600℃熔融NaOH中，-0.2V vs.OCP的外加电流可使316L不锈钢腐蚀速率降低66%，但超过-0.4V vs.OCP时反而加速腐蚀。这一成果不仅首次证实了ICCP技术在高温碱熔盐中的可行性，更重要的是明确了"阴极溶解"现象的临界电位界限，为工程应用中的电位控制提供了精确标尺。从更广阔的视角看，这项研究开辟了电化学保护技术应用于极端环境的新方向，对发展下一代高温熔盐系统具有重要指导价值。正如通讯作者John Hald教授强调的，未来研究需要开发更稳定的辅助电极，以解决镍电极在长期运行中的腐蚀问题。