中国氢能产业中α-Fe2O3/Al2O3复合涂层的生命周期优化：低温高效氢同位素阻隔新策略

为解决氢能产业中氢同位素渗透（HIPB）导致的材料失效问题，西安交通大学研究人员通过原子层沉积（ALD）和氧等离子体处理，在T91钢基底上制备了以α-Fe2O3为模板的α-Al2O3复合涂层。该涂层在650°C低温下实现α相转变，氢渗透阻隔性能优于传统氧化物涂层（如Cr2O3），为氢能装备材料防护提供了低成本高效解决方案。

　　

氢能作为清洁能源载体，其储存与运输过程中面临氢同位素渗透引发的材料脆化、泄漏等安全隐患。传统氢同位素阻隔涂层（HIPB）如α-Al₂O₃虽性能优异，但需1000°C以上高温制备，易损伤基体材料；而Cr₂O₃模板法虽能降低制备温度，却需额外镀铬工序增加成本。针对这一技术瓶颈，西安交通大学材料科学与工程学院的研究团队创新性地利用钢铁材料自身氧化生成的α-Fe₂O₃作为模板，通过原子层沉积（ALD）结合氧等离子体处理，成功在650°C低温下制备出具有优异氢阻隔性能的α-Fe₂O₃/Al₂O₃复合涂层，相关成果发表于《International Journal of Hydrogen Energy》。

研究团队采用三步关键技术：首先通过ALD在T91钢基底沉积非晶Al₂O₃薄膜；随后利用氧等离子体处理（功率300W）诱导α-Fe₂O₃中间层形成；最后通过650°C退火实现α-Al₂O₃低温相变。实验选用φ25mm×0.5mm的T91钢圆片作为基底，其成分包含8.5-9.5%Cr、0.85-1.05%Mo等元素。

Morphology and phase
透射电镜（TEM）显示涂层具有致密无缺陷的层状结构，厚度约108nm。X射线衍射（XRD）证实等离子体处理后的样品出现α-Al₂O₃(104)和α-Fe₂O₃(104)特征峰，二者晶格失配度仅3.7%，显著低于传统Cr₂O₃模板体系。

Hydrogen permeation and corrosion resistance
氢渗透测试表明，复合涂层的渗透率较裸T91钢降低2个数量级，在400°C氢环境中仍保持稳定。电化学测试显示其腐蚀电流密度（3.72×10^-7A/cm²）较未处理样品降低98.6%。

DFT计算
密度泛函理论计算揭示α-Fe₂O₃(104)/α-Al₂O₃(104)界面氢吸附能达-2.31eV，高于单一氧化物相，证实界面协同效应可有效捕获氢原子。

该研究通过α-Fe₂O₃模板效应与等离子体辅助低温结晶的协同作用，突破了α-Al₂O₃涂层的低温制备瓶颈。相比传统方法，该技术省去镀铬工序且温度降低35%，为氢能装备的规模化应用提供了兼具性能与成本优势的解决方案。研究同时为其他氧化物功能涂层的低温合成提供了普适性策略，如TiO₂、Er₂O₃等HIPB体系的开发。