Onderzoekers van de nationale laboratoria Sandia en Pacific Northwest leiden een gezamenlijke inspanning om te onderzoeken hoe waterstof materialen zoals kunststoffen, rubber, staal en aluminium.

Het Hydrogen Materials Compatibility Consortium, of H-Mat, zal zich richten op de invloed van waterstof op polymeren en metalen die worden gebruikt in diverse sectoren, waaronder brandstofceltransport en waterstofinfrastructuur. Onderzoekers van Oak Ridge, Savannah River en de nationale laboratoria van Argonne, evenals in de industrie en de academische wereld, maken ook deel uit van de samenwerking. De inspanning ondersteunt het H2@Scale-initiatief van het Amerikaanse ministerie van Energie, dat gericht is op het bevorderen van het gebruik van waterstof voor de productie en opslag van energie en voor industriële processen.

"De geavanceerde rekenmogelijkheden, unieke experimentele faciliteiten en wetenschappelijke expertise in de nationale laboratoria zullen zorgen voor een beter begrip van de interacties van waterstofgas met polymeren en metalen, " zei Chris San Marchi, Sandia materiaalwetenschapper en co-lead voor het consortium. "Het doel is om de materiaalbetrouwbaarheid in de waterstofinfrastructuur te verbeteren voor grootschalige inzet van waterstof als energiedrager."

Beeldvorming over dimensies

Vandaag, de Verenigde Staten produceren elk jaar ongeveer 10 miljoen ton waterstof, voornamelijk voor aardolieraffinage en ammoniakproductie. De vraag naar waterstof groeit in transport, waar duizenden brandstofcellen worden gebruikt in vorkheftrucks en voertuigen. Waterstoftoepassingen ontstaan ​​ook door innovatie in andere sectoren, zoals ijzerraffinage en energieopslag.

Huidige metaalstructuren die waterstof bevatten, zoals kleppen, brandstoftanks en opslagvaten, zijn vervaardigd uit verschillende dure legeringen van aluminium en staal. Bij dergelijke materialen waterstof interageert met hun atomaire samenstelling op manieren die schade kunnen veroorzaken. Componenten worden routinematig geïnspecteerd en na een bepaald aantal jaren buiten dienst gesteld, zodat deze schade niet leidt tot onverwachte storingen. Omdat de mechanismen van interacties tussen waterstof en materialen op nano- en microschaal niet goed worden begrepen, de levensduur van verschillende componenten is moeilijk in te schatten. Er is nog minder bekend over hoe waterstof de structuur en mechanische eigenschappen van polymeren beïnvloedt, zoals kunststof buizen en rubberen afdichtingen.

Daten, een groot deel van de bestaande waterstofinfrastructuur is gebaseerd op onderzoek dat is uitgevoerd in de nationale laboratoria om metalen en polymeren in hogedrukwaterstofomgevingen te karakteriseren. Het H-Mat-consortium probeert dieper te graven in de onderliggende wetenschap van dit gedrag, door geavanceerde beeldvormings- en oppervlaktekarakteriseringstechnieken te gebruiken om waterstofinteracties met materialen te bestuderen op schaalgroottes variërend van de atomistische tot de technische schaal. Onderzoekers ontwikkelen ook computermodellen om de mechanismen van deze interacties en de evolutie van door waterstof veroorzaakte schade te voorspellen. Die voorspellingen kunnen materiaalwetenschappers vervolgens helpen om de samenstelling en microstructurele samenstelling van materialen aan te passen om door waterstof veroorzaakte schade te weerstaan.

Microscopische degradatiemechanismen

Waterstof beïnvloedt metalen via een klasse van interacties die waterstofbrosheid wordt genoemd. Waterstofbrosheid en door waterstof veroorzaakte barsten in metalen kunnen met het blote oog zichtbaar zijn. Maar deze scheuren beginnen met interacties tussen waterstof en een materiaal met een lengte die duizend keer kleiner is dan de breedte van een mensenhaar. Er is weinig bekend over de effecten van waterstof op deze kleine lengtes.

Er is veel minder bekend over de invloed van waterstof op polymeren. Voor deze materialen is waterstof kan onder druk staande gasbellen vormen die stress concentreren en tot schade leiden. Er is groeiend bewijs dat waterstof ook op atomaire schaal interageert met polymeren, die degradatiemechanismen kunnen versterken.

Onderzoekers van Sandia bestuderen het gedrag van metalen en polymeren terwijl ze worden blootgesteld aan waterstof onder hoge druk met behulp van unieke apparatuur op de Livermore-campus, terwijl het team van Pacific Northwest National Lab de karakterisering en experimentele studies van kraken en afbraak in polymeren leidt.

"Materiaalwetenschappers van de twee laboratoria vormen de basis voor de experimentele studies binnen dit consortium, " zegt Kevin Simmons, de PNNL senior onderzoeker die fungeert als H-Mat co-lead. "We maken ook gebruik van de krachtige rekencapaciteiten van onze laboratoria om fundamentele interacties tussen waterstof en materialen te bestuderen."

Onderzoekers van samenwerkende laboratoria bieden expertise op het gebied van geavanceerde beeldvorming en aanvullende high-performance computing. Bestaande en nieuwe academische, industriële en institutionele partnerschappen brengen kennis over materiële behoeften voor specifieke infrastructuurtoepassingen, en niet-gepatenteerde gegevens zullen openbaar worden gemaakt om onderzoek en ontwikkeling te versnellen.