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ICM 综述 | 中国石油大学(华东)李玉星教授团队：氢能管道如何防“氢脆”——阻氢涂层研究进展与未来规模化应用图景

已有 523 次阅读 2026-6-15 11:01 |个人分类:ICM文章|系统分类:论文交流

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文章导读

在全球能源转型和“双碳”目标背景下，氢能因具有高能量密度、清洁低碳等优势，被认为是未来能源体系的重要组成部分。建设新型纯氢管道，或利用现有天然气管网开展掺氢输送，是实现氢能大规模、低成本运输的重要路径。然而，在纯氢或掺氢天然气输送过程中，氢原子易渗入管道金属材料内部，引发氢脆、氢致开裂等失效问题，严重威胁长输管道的服役安全。阻氢涂层（Hydrogen Barrier Coatings，HBCs）通过在金属基体表面构建物理或化学屏障，可有效降低氢原子向金属内部的渗透，是缓解管道氢脆风险的重要策略。但与核能、储氢容器等应用场景不同，输氢管道具有长距离、埋地服役、压力波动、温度变化、腐蚀介质耦合和长期维护困难等特点，仅依赖单一氢渗透性能的评价，已难以满足阻氢涂层工业化应用的需求。

更为关键的是，当前阻氢涂层仍缺乏统一、专门的行业标准支撑，并未实现大规模的工程应用。现有氢能管道标准如ASME B31.12等尚未充分涵盖阻氢涂层在阻氢效率、抗氢脆防护效果和长期服役耐久性方面的标准化测试方法与验收准则。目前工程实践更多依赖传统管道内涂层标准，并辅以高压氢环境下的专项适用性测试，这种分散化的评价方式不利于涂层材料选择、制备工艺确定、性能指标统一和工业验收标准建立。

基于上述问题，中国石油大学（华东）李玉星教授团队联合相关单位，围绕纯氢/掺氢天然气管道阻氢涂层开展了系统综述。文章系统总结了金属基涂层、陶瓷基涂层、二维材料涂层和聚合物基复合涂层四类阻氢涂层材料体系，深入阐释了无机涂层中的物理阻隔、化学阻隔和氢陷阱捕获机制，以及聚合物复合涂层中有机基体与功能填料之间的协同阻氢机制。文章提出面向输氢管道工业应用的“制备质量—阻氢效率—防护性能—管道适用性”的全链条评价框架，旨在弥补当前评价方法分散、标准依据不足的问题，为阻氢涂层标准化评价、工程选材和规模化应用提供系统参考。

图文摘要：面向纯氢/掺氢天然气管道的阻氢涂层材料体系与工业应用框架

上述成果发表在Industrial Chemistry & Materials，题为：Hydrogen barrier coatings for pure hydrogen/hydrogen-blended natural gas pipelines: a focused review。欢迎扫描下方二维码或者点击下方链接免费阅读、下载！

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https://doi.org/10.1039/D6IM00033A

本文亮点

★ 系统梳理了四类阻氢涂层材料体系，比较了不同体系在阻氢性能、经济性和工程适用性等方面的差异；

★ 深入阐明了涂层的阻氢作用机制，为高性能涂层设计提供了理论依据；

★ 聚焦长距离管道服役场景，提出了阻氢涂层的全链条评估框架，展望了阻氢涂层工程化应用的发展方向。

图文解读

1. 阻氢涂层的四种材料体系

本文将阻氢涂层划分为四类：金属基涂层、陶瓷基涂层、二维材料涂层和聚合物基复合涂层。不同体系在阻氢能力、制备工艺、成本、附着力、抗裂性和管道适用性方面各具特点。

金属基涂层主要包括贵金属涂层、过渡金属涂层、金属间化合物涂层和高熵合金涂层。其优势在于材料本身具有较低的氢溶解度和扩散系数，能够有效降低氢渗透。陶瓷基涂层主要包括氧化物、非氧化物和陶瓷复合涂层。其阻氢作用主要来自致密晶体结构、化学惰性以及氢捕获能力。常见材料包括Al₂O₃、Cr₂O₃、ZrO₂、SiC、SiN、TiN、CrN等。其中，α-Al₂O₃是最具代表性的氧化物阻氢材料之一，通常可表现出较高的氢渗透降低因子。二维材料的层状结构因具有高长径比和优异阻隔性能，被认为是提升阻氢涂层性能的重要功能单元。文章重点讨论了石墨烯、氧化石墨烯、类石墨烯材料、MAX相和MXene等材料。然而，二维材料通常并不单独承担全部阻氢任务，大多作为功能填料加入聚合物体系中，通过构建“曲折扩散路径”延缓氢迁移。其核心优势在于可以显著提升复合涂层的阻隔效率，但也面临团聚和界面缺陷等问题。聚合物基复合涂层更接近长输管道工程化应用的方案。与金属和陶瓷涂层相比，纯聚合物材料由于分子链自由体积较大，理论上难以完全阻挡氢分子扩散。然而，从长距离输氢管道工程应用角度看，聚合物基涂层具有施工方便、成本较低、柔韧性好、可低温原位施工、适合大面积涂覆等优势，因此是最具工程转化潜力的体系之一。

图1. 阻氢涂层的分类体系

图2. 阻氢涂层工业应用潜力的定性比较、

2. 阻氢涂层的作用机制与理论解析

物理阻隔主要依赖涂层的高致密性、低孔隙率和连续结构，直接减少氢原子或氢分子的扩散通道。陶瓷涂层、金属间化合物涂层和部分二维材料涂层均具有典型物理阻隔作用。化学阻隔是指涂层材料与氢之间形成较强相互作用，提高氢进入或穿越涂层所需的能垒。例如部分氧化物、氮化物、碳化物或硅化物涂层，可通过化学键合或高扩散能垒阻碍氢迁移。氢陷阱机制是通过晶界、缺陷、第二相或特定元素位点捕获氢原子，使氢不易继续向金属基体扩散。合理设计氢陷阱可以有效降低氢扩散系数，但若缺陷演化为贯通孔洞或裂纹，也可能成为氢快速渗透通道。在聚合物基复合涂层中，阻氢机制更加依赖多组分协同。聚合物基体提供连续覆盖和柔性防护，二维片层填料延长氢扩散路径，无机纳米颗粒提供氢捕获位点或提升致密性。这种基体与填料的协同机制，是聚合物复合阻氢涂层提升综合性能的关键。

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图3. 阻氢涂层的物理、化学和氢陷阱作用机制

3. 阻氢涂层的全链条评估框架

传统阻氢涂层研究常以氢渗透降低因子（Permeation Reduction Factor，PRF）作为核心指标。然而，对于实际输氢管道而言，单一PRF并不能完全反映涂层工程价值。一种涂层即使在实验室中具有极高PRF，如果其附着力差、制备成本高、无法适应管道弯曲变形、长期压力波动或腐蚀环境，其工程应用仍然受限。相反，某些涂层的本征阻氢性能可能不是最为理想，但若其施工方便、成本低、韧性好、耐腐蚀且适合大面积内涂覆，反而更具工业化潜力。因此，本文提出了面向输氢管道的全链条评价框架，包括：

1、制备质量评价：涂层是否致密、均匀、无贯通缺陷，是否具有足够附着力和合理厚度；

2、阻氢效率评价：氢渗透速率、扩散系数和PRF等指标是否满足阻氢需求；

3、防护性能评价：涂层是否能够有效缓解氢脆、氢致开裂等问题；

4、管道适用性评价：涂层是否适应压力波动、温度变化、腐蚀介质、基体变形和长期服役环境。

该框架的价值在于，将阻氢涂层评价从“材料性能测试”推进到“工程服役评价”，并为后续建立输氢管道阻氢涂层专门标准提供了逻辑基础。

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图4. 工业管道阻氢涂层全链条评估的逻辑框架

总结与展望

高性能、功能化，且制备质量优异的阻氢涂层是缓解纯氢/掺氢天然气管道氢脆风险、提升氢能输送基础设施安全性的重要技术路径。本文系统总结了金属基、陶瓷基、二维材料和聚合物基复合涂层四类阻氢材料体系，比较了不同涂层的阻氢性能、制备特点和工程适用性，并从物理阻隔、化学阻隔、氢陷阱捕获以及复合协同机制等角度阐明了阻氢机理。重点将阻氢涂层研究与当前行业标准缺口联系起来，指出现有标准体系尚未形成针对输氢管道阻氢涂层的统一测试方法和验收准则。为此，文章提出以制备质量、阻氢效率、防护性能和管道适用性为核心的全链条评价体系，为阻氢涂层从实验室研究走向工业标准化应用提供了系统化思路。但从工业应用实际看，阻氢涂层仍面临多方面挑战。首先，长距离管道对涂层成本、施工效率和大面积一致性提出了较高要求；其次，涂层在长期压力循环、温度波动、腐蚀介质和机械载荷耦合作用下的服役寿命仍难以准确预测；第三，目前针对管道阻氢涂层的系统测试方法、评价指标和验收标准仍不完善。

为加快阻氢涂层的研究，以实现长距离输氢管道上的大规模工程化应用，提出以下几点展望：

（1）开展多尺度氢阻隔机理研究，深入理解实际服役环境多因素耦合作用下的氢阻隔机制。

（2）发展适合管道环境的功能化阻氢涂层材料体系，最终形成面向工程应用的优化设计指南。

（3）优化涂层制备工艺并建立综合评价体系，为阻氢涂层工业应用和产业化推广提供依据。

（4）实现在役管道工程化涂装技术的突破，从而构建一套全面且实用的工程技术体系。

撰稿：原文作者

排版：ICM编辑部

文章信息

Y. Chen, C. Wang, C. Liu, X. Xu, L. Wu, J. Huang and Y. Li, Hydrogen barrier coatings for pure hydrogen/hydrogen-blended natural gas pipelines: a focused review, Ind. Chem. Mater., 2026, DOI: 10.1039/D6IM00033A.

作者简介

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通讯作者

李玉星，中国石油大学（华东）二级教授、博士生导师，油气储运工程学科建设负责人，担任油气储运工程国家虚拟教学仿真实验中心主任，山东省油气与新能源储运安全省级重点实验室主任。现任中国石油学会天然气专业委员会委员，油气储运专业委员会委员，油气储运专业标准化委员会委员，液化天然气专标委委员。Journal of Pipeline Science and Engineering副主编，《石油学报》、《天然气工业》、《油气储运》等期刊编委。主要研究领域为氢气、液氨、甲醇、二氧化碳等新能源管道及油气管道输送理论与安全保障。作为项目首席承担国家重点研发计划2项、国家自然基金联合基金重点项目2项，同时主持多项国家自然科学基金项目、国家科技重大专项子课题、国家科技支撑计划子课题等国家及省部级课题。多项科技成果在国内外推广应用。作为主要获奖人获得省部级奖励20余项。授权国家发明专利30余件，登记软件著作权10余项，发表学术论文360余篇。

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通讯作者

王财林，中国石油大学（华东）副教授、硕士生导师。主要从事新能源管道失效机理及防护研究。主持国家自然科学基金面上与青年项目、国家重点研发计划任务、中国博士后科学基金特别资助与面上资助、山东省自然科学基金等课题。以第一/通讯作者在Industrial Chemistry & Materials、Renewable & Sustainable Energy Reviews、Corrosion Science等领域内权威期刊发表论文20余篇，其中SCI一区10余篇，单篇他引超100次，入选ESI高被引论文。授权国际/中国发明专利10余件。参与编写国家标准1项、行业标准1项、企业标准2项、团体标准2项。获教育部科学研究优秀成果二等奖、山东省优秀博士论文等奖励。

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第一作者

陈玉玺，中国石油大学（华东）储运与建筑工程学院硕士研究生，主要研究方向为高压临氢管道材料氢脆行为与阻氢涂层防护技术。

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