華北水利水電大學李偉華教授：創新探索腐蝕，服務重大工程
2024-07-24 14:08:02
作者：腐蝕與防護 來源：腐蝕與防護
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腐蝕，在生活中隨處可見，這是一種材料與所處環境介質發生化學或電化學作用導致的材料變質破壞現象。每年4月24日是由聯合國認定的世界腐蝕組織發起并設立的“世界腐蝕日”，其使命在于提升公眾對腐蝕和腐蝕控制的了解及重視，呼吁世界關注通過科學辦法解決腐蝕問題。與自然災害相比，腐蝕雖然算不上“重磅”，但它無時無刻不在悄然侵入人類的生產與生活，它使材料變廢料、使裝備提前報廢，給國民經濟造成嚴重損失。
華北水利水電大學學術副校長、河南省科學院首席科學家李偉華教授，從研30年來，一直從事腐蝕與控制創新理論和前沿技術研究。
近年來，她圍繞我國能源、交通、石化及海洋等領域重大基礎設施的健康服役問題，聚焦典型工程材料在上述服役環境中的共性失效形式及關鍵科學問題，深入研究嚴酷腐蝕環境下工程材料的失效機理和高效防護技術，取得了一系列技術創新的成果，并推廣實際應用，效果卓著，充分延長了大型工程結構的服役壽命，為我國防腐蝕事業做出了重要貢獻。
成功的彩錦綻放出美麗的光芒，為志向的目標飄揚。李偉華自2006年加入中國科學院海洋研究所海洋腐蝕與防護研究中心工作以來，就開始從事海洋工程材料的腐蝕與控制研究工作，在環境友好型緩蝕劑、阻銹劑和先進表面涂層等防腐蝕修復材料的研究方面取得了重大進展。在多年的研究工作中，李偉華先后依托中科院海洋所、中山大學、華北水利水電大學和河南省科學院，重點發展了嚴酷環境材料腐蝕機理與演變機制、鋼筋混凝土結構腐蝕與控制技術、先進表面處理與涂層防護技術、天然能源電化學陰極保護技術、工程裝備健康服役智慧運維等研究方向，并搭建了近億元的儀器設備研究平臺，建立了涵蓋教授、副教授、博士等近百人具有多學科交叉研究基礎的“腐蝕與控制研究團隊”。2022年，在河南省深入實施創新驅動、科教興省、人才強省戰略的感召下，李偉華回到家鄉加入河南科學院，她所組建的“腐蝕與控制研究團隊”，是一支富有活力的科研團隊，團隊成員最大的30歲出頭，最小的95后剛畢業，他們分別畢業于中國科學院大學、清華大學、復旦大學、中山大學、武漢大學、香港理工大學等知名高校。在30年的科研生涯中，李偉華在腐蝕與控制研究領域取得了諸多標志性的科研成果。針對海洋、除冰鹽、鹽堿地等高氯鹽環境混凝土結構鋼筋易銹蝕導致的工程結構耐久性不足問題，李偉華帶領團隊在國際上率先開展了靶向阻銹技術研究，研發出的靶向阻銹劑可實現對腐蝕“元兇”氯離子的靶向捕獲和固化，從根源上解決了氯離子引發的腐蝕問題，可將工程結構的服役壽命延長20~30年。目前，該技術成果已實現工業化批量生產，并應用于港口碼頭、橋梁隧道、水利水電、海上風電等多項重大工程，獲得2022年海洋科學技術獎一等獎。除了靶向阻銹技術，李偉華還帶領團隊在國際上率先提出并開展了“固-液復合型”智能自修復涂層技術研究，該項技術成果于2022年獲得了日內瓦國際發明展金獎。李偉華希望未來能將該成果真正落地，在不同工業領域實現產業化，讓科技創造價值。作為一名科技工作者，李偉華不忘初心，牢記使命，在科研道路上砥礪前行。用腳步丈量世界，用閱歷填補人生，用汗水鑄就夢想。迄今為止，李偉華已先后主持了各類縱向、橫向項目近50項，取得了系列創新成果，現已發表SCI收錄學術論文237篇，出版學術著作8部，授權發明專利81件，編訂相關行業標準14項。她開發的腐蝕控制創新技術已成功應用于多項國內外重大工程，產生了巨大的經濟和社會效益。
科學研究是一項充滿創新與探索的過程。對于當前我國海洋領域防腐蝕研究，如何保障工程基礎材料和儀器裝備的服役壽命成為開發南海的技術藩籬，對此，李偉華負責主持完成了國家自然科學基金面上項目“基于納米異質結構筑的光電材料的可控制備及海工光電陰極保護機制研究”。她介紹說，“光電陰極保護技術可充分利用南海獨特的高輻照和光能全年可利用等地理優勢（年日照輻射接近6000 MJ/平方米，年光照時間長達2300小時），通過光生伏打效應將清潔光能轉化為電能，可用于金屬的腐蝕防護。”李偉華表示，該技術既保留了傳統陰極保護技術高效和長效的獨特優勢，同時也解決了傳統犧牲陽極保護存在的有色金屬浪費和外加電流依賴于離岸市電整流的資源浪費和能源消耗，可有效服務“雙碳戰略”。但是目前，光電陰極保護技術研究存在“重效能而輕理論”“重機理而輕應用”“局部而不系統”等局限，大部分研究聚焦于材料組裝及光電腐蝕防護效能的首尾階段關聯機制，對于半導體材料的結構特性、光學性質、光電轉換等中間過程缺乏系統研究，無法從整體角度加深對光電陰極保護技術的科學認知。據李偉華介紹，光電陰極保護技術的原理是：當半導體吸收大于帶隙的能量時，價帶中的電子會躍遷至導帶，此時價帶會產生相應數量的空穴。這些空穴通常會被電解液中的還原性介質所消耗，以保證該過程的可持續性。躍遷后的電子經外部導線轉移到金屬表面后，金屬表面會因電子富集而發生陰極極化，使其電位相較自腐蝕電位發生負移動，從而受到保護。在此過程中，半導體作為陽極，金屬作為陰極，消耗的電子來源于太陽光。就理論而言，光電陰極保護既不消耗半導體材料，也不消耗外加能量，是一種可持續的綠色技術。因此，李偉華從全局層面出發，深入解析了光電陰極保護微觀過程，基于“構效設計”“載流子遷移路徑”“空穴生命總周期”的順序路徑系統研究了光生載流子從產生到應用的全過程，遵循“先應用，再提高，后擴展”的循序漸進思路開展了系列理論研究和技術攻關，實現了海洋環境中金屬結構的高效率、高靈敏陰極保護，開發了系列廉價、環保的氮化碳基光電陰極保護關鍵材料，真正實現了先進半導體材料應用于金屬腐蝕防護領域的交叉融合創新。目前，可實現就地保護的光電陰極保護技術需求日益增長，亟需建立系統的光電陰極保護體系設計理論與方法，該技術可為光電陰極保護關鍵功能材料的涂層化、智能化和器件化提供理論指導。收獲憑耕耘，歷盡艱辛，嘉名最美授功臣。李偉華曾榮獲我國腐蝕與控制研究領域國家杰出青年科學基金，入選國家“萬人計劃”科技創新領軍人才、科技部中青年創新領軍人才，被評為新世紀巾幗發明家，還受聘為中國科學院“特聘研究員”和海洋科學與技術國家實驗室“卓越科學家”，獲得省部級一等獎3項，二等獎3項。這些榮譽不僅是對李偉華科研工作的肯定與褒獎，更是對她研究工作的激勵與鞭策。
星霜荏苒，居諸不息；芳華待灼，行而不輟。未來，李偉華將繼續帶領團隊奮戰在防腐蝕研究的最前線，弘揚和傳承老一輩科學家精神，致力科研，創新突破，服務于我國的重大工程，助力實現“海洋強國”“雙碳目標”等重大戰略，用科技造福社會、報效祖國。
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