团队作品：二维材料复合以及稀土元素掺杂增强管道涂层的阻氢性能
参赛赛题：企业命题
获奖情况：一等奖
学 院：化工学院
团队名称：氢域探索队
团队成员：吴建猛 吴梦思 王佳怡 李红艳
指导老师：李松杰
※团队风采
吴建猛（队长）
吴建猛（队长），郑州大学化工学院2022级化学工程博士研究生，研究方向为材料腐蚀与防护技术。目前以第一作者身份发表SCI/EI论文5篇，申请发明专利2项，获得“秦创原-中石协·宝石机械杯”第十一届中国研究生能源装备创新设计大赛国家级一等奖、河南省优秀学生干部，郑州大学三好学生，金发科技奖学金，陈俊武研究生奖学金等多项荣誉。兴趣爱好：羽毛球、摄影和旅游。
吴梦思（队员）
吴梦思（队员），郑州大学化工学院材料与化工专业2023级硕士研究生，研究方向为材料腐蚀机理与防护技术。获得“秦创原-中石协·宝石机械杯”第十一届中国研究生能源装备创新设计大赛国家级一等奖，连续两年获得国家一等学业奖学金。兴趣爱好：电影和旅行。
李红艳（队员）
李红艳（队员），郑州大学化工学院材料与化工专业2023级硕士研究生，研究方向为工业废弃物增值化利用技术。获得获得“秦创原-中石协·宝石机械杯”第十一届中国研究生能源装备创新设计大赛国家级一等奖，郑州大学三好研究生等荣誉。兴趣爱好：羽毛球、音乐。
王佳怡（队员）
王佳怡（队员），郑州大学化工学院2023级材料与化工硕士研究生，研究方向为材料氢脆失效机理。获得“秦创原-中石协·宝石机械杯”第十一届中国研究生能源装备创新设计大赛国家级一等奖、郑州大学三好学生等荣誉，连续两年获得研究生一等奖学金。兴趣爱好：音乐、羽毛球。
李松杰（指导教师）
李松杰（指导教师），郑州大学化工学院教授，博士研究生导师，主要从事材料腐蚀与防护以及金属材料氢脆机理研究。主持国家自然科学基金青年项目和面上项目、国家重点研发计划子课题、河南省重点科学基金项目和自然科学基金优青项目等十余项科研项目。河南省教育厅学术技术带头人，河南省高等学校青年骨干教师，郑州大学青年骨干教师。发表SCI论文30余篇，授权国家发明专利7项。获得河南省教育厅科技进步奖一等奖，河南省教育信息化优秀成果奖一等奖，河南省教育厅科技成果一等奖，河南省科技论文一等奖等。
※作品介绍
一、作品背景
氢作为自然界中含量最为丰富的元素，因其高热值和零污染排放等优势而备受瞩目，氢能的开发也被视为二次能源发展的重要方向。然而，由于氢原子的半径很小，其可以通过渗透扩散进入金属材料内部，这可能引发金属韧性、塑性等机械性能的下降，最终导致氢致延迟断裂等问题的出现，造成一系列安全隐患。为了避免或减轻氢对金属材料的侵蚀和破坏，最常见的方法是在金属表面涂覆阻氢涂层，以减缓氢原子的渗透速率，从而提升临氢设备的耐久性和安全性。
二、作品简介
本项目选用X80/Q235钢为基体，采用溶胶凝胶法结合气相沉积法在其表面制备了石墨相氮化碳/钇稳定氧化锆复合阻氢涂层。重点研究了掺杂稀土元素钇以及复合石墨相氮化碳对涂层性能的影响。该项目研发的涂层具有成本低，阻氢性能优异，耐磨耐腐蚀等优点。该产品可以有效降低氢能利用过程中的安全风险，推动我国能源装备领域的升级发展。
三、作品创新点
该作品采用光电催化领域常用的二维材料石墨相氮化碳g-C3N4以及战略资源稀土元素钇Y对氧化锆涂层进行改性提升，设计并制备了复合阻氢涂层，其具有“阻氢+捕氢”复合结构。选用稀土元素Y可以稳定氧化锆晶型，提升涂层的致密度和抗氧化能力，而g-C3N4的复合可以在控制生产成本的同时，大幅度提升涂层的阻氢性能。
四、关键技术
1.简易低成本的涂层制备技术：通过简单的涂布工艺，烧结工艺和气相沉积工艺结合成本较低的设备，制备性能优秀、成本较低的复合阻氢涂层，力求为相关企业降本增效。
图1 复合涂层制备技术
2.新型的涂层性能检测技术与装置：通过氢气发生器产生高纯氢气，更好的模拟管道环境中的氢渗透条件。同时，采用电化学工作站检测氢信号以替代传统的质谱仪检测氢信号，本装置的设计和应用可以大幅减少企业的仪器成本，促进阻氢涂层的更准确，更便捷的检测。
图2 气相氢渗透-电化学检测装置
五、产品优势
1. 项目中涉及的制备方法可操作性强，设备要求低。制备的涂层均匀性较好，如图3所示。
图3：Q235基体和制备涂层后的样品示意图
2. 项目所制备的复合阻氢涂层阻氢性能和抗氧化性能较好，涂层重点性能如图4所示。
图4：复合涂层的抗氧化性能和阻氢性能
3. 如图5所示，石墨相氮化碳的沉积使得复合涂层的表面粗糙度下降近一倍，在流体输送过程中，能显著降低不必要的能量损失。
图5：涂层的原子力显微镜形貌图
得益于原料的廉价易得以及对设备的要求较低，本项目制备的复合阻氢涂层综合成本在350-470元/m2，相对目前所应用的氧化铝涂层价格较低。该阻氢涂层能将氢能系统的效率提升5%-10%，在大规模应用中会显著减少碳排放，并且大幅提升氢能相关设备的使用寿命和安全性。到2030年，全球阻氢涂层市场规模预计将达到30-40亿美元，年复合增长率在8%左右。随着节能环保意识的提升以及各个行业对轻量化、高效率的需求增加，阻氢涂层在输氢管道，氢能源汽车、航空航天、核电等领域的应用越来越广泛，市场前景广阔。
总结
本团队采用溶胶凝胶法在低碳钢基体表面制备了氧化锆涂层，对热处理工艺和前驱体浓度进行了优化，为进一步提高涂层的性能，掺杂稀土元素钇对氧化锆晶型进行稳定，并对稀土元素钇掺杂量和厚度进行优化，最后采用空气剥离法将二维材料石墨相氮化碳g-C3N4沉积在YSZ涂层表面制备了g-C3N4/YSZ复合阻氢涂层。实验结果表明，复合涂层的阻氢性能得到明显提高，阻氢效果约为基体的7.5倍。g-C3N4的添加一方面有效填充了YSZ涂层的表面缺陷和裂缝，增加了涂层的致密度，另一方面发挥了其本身优异的氢不可渗透性，有效阻挡了氢原子的渗入，显著提高了基体的抗氢脆能力。该项目制备的阻氢涂层具有广阔的市场前景，在助力实现“双碳”目标方面也发挥着积极作用。随着相关产业链的进一步健全和技术的不断优化，阻氢涂层必将在未来碳中和进程中发挥更加重要的作用。
※参赛心得
参加本次能源装备大赛的初衷是锻炼自己的科研本领，更好的认清自己的水平与优秀同行之间的差距，学习大家的优势所在，取长补短，为自己以后的科研道路积攒更多的力量。通过这次比赛，我们获益匪浅。对于那些即将踏上能源装备创新设计大赛征程的后续参赛团队，我们怀着诚挚的心意，送上以下几点宝贵建议，期望能为他们照亮前行的道路。
第一，人员选择上。团队其中最好能有性格外向的成员，这类成员能够在团队沟通的过程中，打破因性格内向可能产生的沉默与隔阂，使团队内部的信息交流顺畅；在对外交流的舞台上，他们凭借出色的社交能力与表达技巧，与评委专家、进行积极有效的互动沟通，为团队拓展人脉资源，提升团队在大赛舞台上的知名度与影响力，吸引更多的关注与机遇。
第二，比赛态度上。务必始终如一地秉持认真、严谨的态度，这一态度贯穿于比赛的每一个环节。无论是在创意构思的初期阶段，需对每一个灵感进行审慎思考与反复打磨，确保其新颖性、可行性与实用性；在方案设计过程中，对每一个细节都进行严谨的规划，不容许任何一丝疏忽与差错；在报告撰写阶段，用精炼准确的语言、规范严谨的格式呈现项目成果，做到精益求精。只有这样，才能确保整个项目的质量可靠，经得起评委与观众的严格审视与考验。
第三，比赛策略上。一要紧紧抓住比赛重点，深入细致地研究比赛规则与评审标准，明确比赛的核心要求。围绕这些重点核心，集中团队的全部精力与智慧，精准发力，将资源优先配置到重点环节，确保在比赛的关键之处展现出卓越的表现，从而在评委的眼中留下深刻而良好的印象，提高获奖的概率。二要善于展示突出自身优势。在众多实力强劲、各具特色的参赛队伍中，必须精准地找准自身的特点，提高团队竞争力。
第四，比赛心态上。要始终保持努力与坚持的精神。比赛过程中，困难与挫折不可避免地会频繁出现。或许会遇到技术难题的困扰，如关键技术的突破瓶颈、实验结果的不理想；或许会面临时间紧迫的压力，如项目进度的滞后、比赛周期的缩短；或许会遭受外界质疑的声音。但唯有持之以恒、不懈努力，一步一个脚印，永不放弃，才能在激烈如战场的竞争中披荆斩棘，最终脱颖而出，收获成功的喜悦，实现团队的目标与梦想。
