干湿循环加速新兴钨粉尘的环境转化：基于原子尺度氧化-溶解动力学模型的预测

《Journal of Hazardous Materials》：Dry-Wet Cycling Accelerates Environmental Transformation of Emerging Tungsten Dust: Predictions from an Atomistically Based Oxidation-Dissolution Kinetic Model

　　

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  为钨尘建立了氧化-溶解耦合动力学模型
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  钨的氧化主要受氧化物薄膜中物质输运控制
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  水的pH值、温度和粉尘粒径决定溶解态钨的释放
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  潮湿气候强迫作用下溶解态钨源释放量最大
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  氧化模型和溶解模型与独立验证数据均吻合良好

章节摘要

引言

钨尘是在含钨材料机械或热降解过程中产生的细粒含钨颗粒[1]、[2]。由于钨越来越多地用于硬质合金产品、军用材料以及聚变反应堆的面向等离子体材料（PFMs），钨尘正成为日益突出的环境关注问题[3]、[4]、[5]。在使用过程或事故情景中，高热负荷、热循环、辐照和机械应力可产生球形、片状或

钨尘在干空气中的氧化动力学

钨尘的氧化过程被描述为三个连续步骤，如图1所示：(i) 气相O₂从主体空气向粉尘表面输运；(ii) O₂在钨尘表面的解离吸附；(iii) 氧通过不断生长的氧化物薄膜进行输运。步骤(i)被纳入模型是因为细粒钨尘在沉积后可形成堆积层，其中颗粒间孔隙可能限制O₂的渗透并导致氧化在空间上分布不均匀。为评估这一可能的

氧供给与氧化物薄膜输运的原子级起源

如图3a和3b所示，O₂在W(100)面上强吸附，并通过一条低势垒路径从顶键结合的分子态解离为桥键结合的氧物种。解离势垒仅为0.057 eV（环境温度下），远低于典型晚过渡金属表面（如Pt和Pd）所报告的势垒值[46]、[47]。这一行为与钨的强亲氧性一致，表明一旦O₂到达洁净的W(100)表面，O₂的活化过程极为迅速

结论

钨尘应被视为一种新兴颗粒污染物，其环境可及性可能与块体含钨材料存在显著差异[2]、[9]。虽然钨通常在环境条件下释放缓慢，但当钨以高比表面积细粉尘形式排放时，这一假设便不再可靠[3]。小颗粒具有较大的比表面积，因此即使表面氧化和溶解通量较小，也可能产生

CRediT作者贡献声明

周文涛：软件，方法学。宋佳：软件，方法学。王德忠：撰写——审阅与编辑，监督指导。王雨萱：撰写——原稿撰写，方法学，调查研究。聂宝贵：撰写——审阅与编辑，监督指导，经费获取，概念构思。吴浩洋：撰写——原稿撰写，方法学。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的竞争性经济利益或个人关系可能对本研究工作中报告的内容产生影响。

致谢

本研究受国家自然科学基金资助（项目编号：12375314、12475319）。作者感谢宾夕法尼亚州立大学材料计算中心的Adri C. T. van Duin教授通过该中心提供的沟通便利，以及感谢Swarit Dwivedi博士慷慨提供本工作中使用的W/H/O ReaxFF参数文件。作者还感谢他们就力场适用性问题所提供的有益交流。

补充材料

以下补充材料

王雨萱 | 吴浩洋 | 聂宝贵 | 宋佳 | 周文涛 | 王德忠