Waterstof, de op een na kleinste van alle atomen, kan doordringen tot in de kristalstructuur van een massief metaal.

Dat is goed nieuws voor de inspanningen om waterstofbrandstof veilig op te slaan in het metaal zelf, maar het is slecht nieuws voor constructies zoals de drukvaten in kerncentrales, waar waterstofopname uiteindelijk de metalen wanden van het vat brozer maakt, wat tot mislukking kan leiden. Maar dit proces van verbrossing is moeilijk waar te nemen omdat waterstofatomen zeer snel diffunderen, zelfs in het massieve metaal.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van MIT hebben een manier gevonden om dat probleem te omzeilen, het creëren van een nieuwe techniek die het mogelijk maakt om een ​​metalen oppervlak te observeren tijdens waterstofpenetratie. Hun bevindingen worden beschreven in een artikel dat vandaag verschijnt in de Internationaal tijdschrift voor waterstofenergie , door MIT-postdoc Jinwoo Kim en Thomas B. King Universitair docent metallurgie C. Cem Tasan.

"Het is zeker een coole tool, " zegt Chris San Marchi, een vooraanstaand lid van de technische staf van Sandia National Laboratories, die niet bij dit werk betrokken was. "Dit nieuwe beeldvormingsplatform heeft het potentieel om een ​​aantal interessante vragen te beantwoorden over waterstoftransport en opsluiting in materialen, en mogelijk over de rol van kristallografie en microstructurele bestanddelen op het verbrossingsproces."

Waterstofbrandstof wordt beschouwd als een potentieel belangrijk instrument om de wereldwijde klimaatverandering te beperken, omdat het een energierijke brandstof is die uiteindelijk in auto's en vliegtuigen kan worden gebruikt. Echter, er zijn dure en zware hogedruktanks nodig om het in te dammen. Het opslaan van de brandstof in het kristalrooster van het metaal zelf zou goedkoper kunnen zijn, aansteker, en veiliger - maar eerst moet het proces van hoe waterstof het metaal binnenkomt en verlaat beter worden begrepen.

"Waterstof kan met relatief hoge snelheden in het metaal diffunderen, omdat het zo klein is, ", zegt Tasan. "Als je een metaal neemt en het in een waterstofrijke omgeving plaatst, het zal de waterstof opnemen, en dit veroorzaakt waterstofbrosheid, "zegt hij. Dat komt omdat de waterstofatomen de neiging hebben om te scheiden in bepaalde delen van het metaalkristalrooster, verzwakking van de chemische bindingen.

De nieuwe manier om het verbrossingsproces te observeren terwijl het gebeurt, kan helpen om te onthullen hoe de verbrossing wordt geactiveerd, en het kan wijzen op manieren om het proces te vertragen - of om het te vermijden door legeringen te ontwerpen die minder kwetsbaar zijn voor verbrossing.

Sandia's San Marchi zegt dat "deze methode een belangrijke rol kan spelen - in coördinatie met andere technieken en simulatie - om de waterstof-defectinteracties die tot waterstofbrosheid leiden, te belichten. Met een beter begrip van de mechanismen van waterstofbrosheid, materialen en microstructuren kunnen worden ontworpen om hun prestaties onder extreme waterstofomgevingen te verbeteren."

De sleutel tot het nieuwe monitoringproces was het bedenken van een manier om metalen oppervlakken bloot te stellen aan een waterstofomgeving terwijl ze zich in de vacuümkamer van een scanning elektronenmicroscoop (SEM) bevonden. Omdat de SEM een vacuüm nodig heeft voor zijn werking, waterstofgas kan niet in het metaal in het instrument worden geladen, en indien voorgeladen, het gas diffundeert snel. In plaats daarvan, de onderzoekers gebruikten een vloeibaar elektrolyt dat zich in een goed afgesloten kamer kon bevinden, waar het wordt blootgesteld aan de onderkant van een dunne plaat metaal. De bovenkant van het metaal wordt blootgesteld aan de SEM-elektronenstraal, die vervolgens de structuur van het metaal kan onderzoeken en de effecten kan observeren van de waterstofatomen die erin migreren.

De waterstof uit de elektrolyt "diffundeert helemaal door naar de top" van het metaal, waar de effecten te zien zijn, zegt Tasan. Het basisontwerp van dit ingesloten systeem zou ook kunnen worden gebruikt in andere soorten op vacuüm gebaseerde instrumenten om andere eigenschappen te detecteren. "Het is een unieke opstelling. Voor zover we weten, de enige ter wereld die zoiets kan realiseren, " hij zegt.

Elektronenmicroscoopbeelden tonen de opbouw van waterstof in de kristalstructuur van een titaniumlegering. De beelden laten zien hoe waterstof, afgebeeld in blauw, migreert bij voorkeur naar de grensvlakken tussen kristalkorrels in het metaal. Met dank aan de onderzoekers.

In hun eerste tests van drie verschillende metalen - twee verschillende soorten roestvrij staal en een titaniumlegering - hebben de onderzoekers al enkele nieuwe bevindingen gedaan. Bijvoorbeeld, ze observeerden het vormings- en groeiproces van een hydridefase op nanoschaal in de meest gebruikte titaniumlegering, op kamertemperatuur en in realtime.

Het bedenken van een lekvrij systeem was cruciaal om het proces te laten werken. De elektrolyt die nodig is om het metaal op te laden met waterstof, "is een beetje gevaarlijk voor de microscoop, ', zegt Tasan. 'Als het monster faalt en de elektrolyt in de microscoopkamer komt, " het kan tot ver in alle hoeken en gaten van het apparaat doordringen en moeilijk schoon te maken zijn. Toen het tijd was om hun eerste experiment uit te voeren in de gespecialiseerde en dure apparatuur, hij zegt, "we waren enthousiast, maar ook heel zenuwachtig. Het was onwaarschijnlijk dat er een mislukking zou plaatsvinden, maar er is altijd die angst."

Kaneaki Tsuzaki, een vooraanstaande professor in chemische technologie aan de Kyushu University in Japan, die niet bij dit onderzoek betrokken was, zegt dat dit "een sleuteltechniek kan zijn om op te lossen hoe waterstof dislocatiebeweging beïnvloedt. Het is een grote uitdaging omdat een zure oplossing voor kathodische waterstoflading in een SEM-kamer circuleert. Het is een van de gevaarlijkste metingen voor de machine. Als de circulatie gewrichten lekken, een zeer dure scanning elektronenmicroscoop (SEM) zou door de zure oplossing kapot gaan. Voor het maken van deze meetapparatuur is een zeer zorgvuldig ontwerp en een zeer vakkundige opstelling nodig."

Tsuzaki voegt eraan toe dat "als het eenmaal is volbracht, outputs van deze methode zouden super zijn. Het heeft een zeer hoge ruimtelijke resolutie dankzij SEM; het geeft in-situ waarnemingen onder een goed gecontroleerde waterstofatmosfeer." hij zegt, hij gelooft dat Tasan en Kim "door deze nieuwe methode nieuwe bevindingen zullen verkrijgen van door waterstof ondersteunde dislocatiebeweging, het mechanisme van door waterstof geïnduceerde mechanische degradatie oplossen, en nieuwe waterstofbestendige materialen te ontwikkelen."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.