表面分析法を駆使したステンレス鋼の高温酸化に関する触媒化学的研究

表面分析法对不锈钢高温氧化的催化化学研究

基本信息

批准号：
05750638
负责人：
佐伯功
金额：
$ 0.58万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
1993
资助国家：
日本
起止时间：
1993 至无数据
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-05750638/
关键词：
ステンレス鋼高温酸化触媒

项目摘要

本年度の研究内容は次のとおりである。まずスパッタ蒸着およびイオンビーム蒸着により、それぞれ金および白金を1ないし10nm相当コーティングしたSUS430ステンレス鋼を作成した。これらコーティングしたSUS430ステンレス鋼および対照実験としてコーティングを施さないSUS430ステンレス鋼(比較材、以下略)について1273K、O_2-H_2O-N_2雰囲気での高温酸化を行い、酸化にともなう試料の質量変化を追跡し、速度を求めた。また、各酸化時間で生成した酸化物皮膜の形態、組成、および結晶構造を電子顕微鏡、光電子分光分析、およびX線回折により測定した。まず比較材について述べる。O_2-N_2雰囲気で酸化した場合には、酸化時間120min程度までは酸化物皮膜は放物線則に従って成長し、この段階での皮膜の厚さは約3mumであった。これ以降では急激に酸化速度が増大して、いわゆるbreakawayを起こした。breakaway前では皮膜はほぼCr_2O_3であるのに対してbreakaway後ではFe_2O_3および(Fe,Cr)_3O_4であった。雰囲気にH_2Oを導入すると、挙動および生成物は上述の場合と違いは無いものの、breakaway発生までの時間は著しく短くなることが明らかになった。以上の結果と、金および白金をコーティングした場合の比較を次に述べる。金をコーティングした場合、金の付着量に関わらずbreakaway発生までの時間、生成物の形態、組成は比較材の場合とほぼ同じ結果となり、また水蒸気の効果についても差は見られなかった。金は表面での酸化物生成反応に対して全く関与していないと結論できる。白金をコーティングした場合、生成物の形態、組成、および構造は比較材とあまり差がないものの、breakaway前の酸化速度は白金付着量の増加とともに増加した。またbreakaway発生までの時間は、O_2-N_2雰囲気の場合には比較材とほぼ同じであったのに対して、雰囲気に水蒸気を導入した場合には著しく短くなった。これより、水蒸気を含む雰囲気におけるステンレス鋼の高温酸化に関して、水蒸気は酸化剤として直接反応に寄与しており、表面の組成が水蒸気の解離反応を触媒して、酸化を促進させる場合があることが明らかになった。

今年的研究内容如下。首先，通过溅射沉积和离子束沉积分别在SUS430不锈钢上涂覆1至10nm的金和铂。将这些涂层SUS430不锈钢和未涂层SUS430不锈钢(比较材料，下文省略)在O_2-H_2O-N_2气氛中进行1273K的高温氧化，并跟踪由于氧化引起的样品质量的变化，速度已确定。另外，使用电子显微镜、光电子能谱和X射线衍射来测量在各氧化时间形成的氧化膜的形态、组成和晶体结构。首先我们来说说对比材料。在O_2-N_2气氛中氧化时，氧化膜按照抛物线规律生长，直至氧化时间约为120 min，此阶段膜厚约为3 mm。此后，氧化速率迅速增加，导致所谓的脱离。断裂前膜层几乎为Cr_2O_3,断裂后膜层为Fe_2O_3和(Fe,Cr)_3O_4。结果发现，当H_2O引入到大气中时，行为和产物与上述情况相同，但发生脱离的时间明显缩短。下面将描述上述结果与金和铂涂层的比较。当涂覆金时，无论沉积的金量如何，产品的脱离时间、形态和成分几乎与对比材料相同，并且在水蒸气的影响方面没有观察到差异。可以得出结论，金在表面氧化物形成反应中不起任何作用。当涂覆铂时，尽管产品的形态、成分和结构与对比材料没有显着差异，但断裂前的氧化速率随着铂覆盖范围的增加而增加。此外，虽然在O_2-N_2气氛中直到发生脱离的时间几乎与对比材料相同，但当将水蒸气引入大气中时，其明显缩短。由此可知，对于含有水蒸气的气氛中的不锈钢的高温氧化，水蒸气作为氧化剂直接参与反应，并且表面成分可以催化水蒸气的解离反应并加速氧化。