science >> Wetenschap >  >> Chemie

Cohesieonderzoekers ontrafelen het mysterie van waterstofeffecten op materialen

Fig. 1. Totale waterstofverdeling in staal na 3% trekbelasting overeenkomend met een waterstofdruk van (a) 1 bar, (b) 100 bar, (c) 200 bar en (d) 1000 bar. Credit:Technische Universiteit Delft

Waterstof wordt beschouwd als een belangrijke energiedrager met de potentie om het energielandschap in de toekomst te hervormen. Voor de distributie van grote hoeveelheden waterstof zijn veilige stalen pijpleidingen nodig. Stalen leidingen kunnen door waterstof broos worden en daardoor breken. Gefascineerd door dit urgente probleem, Carey Walters (MTT), Othon Moultos (P&E) en Poulumi Dey (MSE) sloegen de handen ineen en wendden zich tot het cohesieprogramma om hier samen aan te werken.

Ze werkten samen met Abdelrahman Hussein en Gagus Ketut om de oorzaak van de broosheid te onderzoeken, en nieuwe inzichten te verkrijgen in de complexe onderliggende fysische fenomenen. Hun resultaten zijn gericht op het verbeteren van de opslag, distributie en bruikbaarheid van waterstof. De resultaten zijn onlangs open access gepubliceerd in Acta Materialia en de Internationaal tijdschrift voor waterstofenergie .

Othon Moultos, assistent-professor technische thermodynamica, zegt, "Poulumi, Carey en ik zijn al een tijdje bezig met de waterstofopslag en -distributie, zij het op verschillende schalen. Door onze expertise uit de verschillende gebieden van maritieme technologie samen te brengen, materiaalkunde en procestechnologie leek een logische stap. Als resultaat, we konden waterstof en de distributie ervan op meerdere schaalniveaus onderzoeken, variërend van de atomistische tot de macroschaal. We hebben nuttige kennis opgedaan over de efficiënte opslag en weerstand van hogesterktestaalsoorten tegen waterstofbrosheid. Ons onderzoek heeft ook geleid tot de voorbereiding van een nieuw NWO-voorstel dat wordt ondersteund door belangrijke industriële belanghebbenden in de waterstofdistributie. Dit cohesieproject legt zeker de basis voor een meer uitgebreide en duurzame samenwerking."

Abdelrahman Hoessein, postdoc in scheeps- en offshore constructies, zegt, "We hebben RVE en kristalplasticiteit gebruikt om te laten zien hoe micromechanische spanningen waterstof accumuleren bij korrelgrenzen. We laten ook zien hoe een toenemende vloeigrens resulteert in een hogere lokalisatie van waterstof, het vergroten van de gevoeligheid voor schade. Dit virtuele raamwerk kan ons begrip van waterstofbrosheid vergroten en de ontwikkeling van waterstofbestendige legeringen versnellen."

Fig. 2. Molecular Dynamics simulatie snapshots van stressconcentratie, binding verbreken, scheurkiemvorming en groei bij 300 K in een enkele vacature met grafeenblad met de vacaturerand gefunctionaliseerd met zes waterstofatomen. Koolstof- en waterstofatomen worden gekleurd volgens de overeenkomstige atoomspanningen. (a) Spanningsverdeling in de gehydrogeneerde grafeenplaat voorafgaand aan het verbreken van de binding. De oriëntaties van de waterstofatomen worden aangeduid met "U" voor omhoog, "D" voor naar beneden en "SD" voor iets naar beneden. (b) Breken van de sp2-gehybridiseerde C-C-bindingen nabij de gehydrogeneerde vacature. (c) Scheurgroei langs de y-richting afkomstig van de gehydrogeneerde vacature. ( d ) Opeenvolgende onthechting van sp2-gehybridiseerde C-C-bindingen langs de fauteuilrichting leidend tot de breuk van de grafeenplaat. Credit:Technische Universiteit Delft