金属中の水素の影響を観察する

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すべての原子の中で 2 番目に小さい水素は、固体金属の結晶構造に直接浸透することができます。

これは、金属自体の中に水素燃料を安全に貯蔵する取り組みにとっては良いニュースだが、原子力発電所の圧力容器などの構造にとっては悪いニュースであり、水素の取り込みにより最終的に容器の金属壁がより脆くなり、それが故障につながる可能性がある。 しかし、水素原子は固体金属の内部であっても非常に速く拡散するため、この脆化プロセスを観察することは困難です。

今回、MITの研究者らはこの問題を回避する方法を見つけ出し、水素の侵入中に金属表面を観察できる新しい技術を開発した。 彼らの発見は、MIT ポスドクの Jinwoo Kim と Thomas B. King 冶金助教授 C. Cem Tasan によって、本日国際水素エネルギージャーナルに掲載される論文に記載されています。

「これは間違いなく素晴らしいツールです」と、サンディア国立研究所の技術スタッフの一員であり、この研究には関与していないクリス・サン・マルキ氏は言う。 「この新しいイメージングプラットフォームは、材料中の水素の輸送と捕捉、そして脆化プロセスにおける結晶学と微細構造成分の役割に関するいくつかの興味深い問題に対処できる可能性を秘めています。」

水素燃料は高エネルギー燃料であり、最終的には自動車や航空機に使用される可能性があるため、地球規模の気候変動を制限するための主要なツールとなる可能性があると考えられています。 しかし、それを収容するには高価で重い高圧タンクが必要です。 燃料を金属自体の結晶格子に貯蔵することは、より安く、より軽く、より安全になる可能性がありますが、その前に、水素がどのように金属に出入りするかのプロセスをよりよく理解する必要があります。

「水素は非常に小さいため、金属内で比較的高い速度で拡散する可能性があります」とタサン氏は言う。 「金属を水素が豊富な環境に置くと、金属は水素を取り込み、これが水素脆化を引き起こします」と彼は言う。 それは、水素原子が金属結晶格子の特定の部分に偏析し、その化学結合が弱まる傾向があるためです。

発生した脆化プロセスを観察する新しい方法は、脆化がどのように引き起こされるかを明らかにするのに役立つ可能性があり、プロセスを遅らせる方法、または脆化を受けにくい合金を設計することでプロセスを回避する方法を示唆する可能性があります。

Sandia の San Marchi 氏は、「この方法は、他の技術やシミュレーションと連携して、水素脆化を引き起こす水素欠陥相互作用を解明する上で重要な役割を果たす可能性があります。水素脆化のメカニズムをより包括的に理解することで、材料と微細構造を解明することができます」と述べています。極端な水素環境下でのパフォーマンスを向上させるように設計されています。」

新しい監視プロセスの鍵は、走査型電子顕微鏡 (SEM) の真空チャンバー内で金属表面を水素環境にさらす方法を考案することでした。 SEMの動作には真空が必要なため、装置内部の金属に水素ガスを封入することができず、あらかじめ封入しておくとすぐにガスが拡散してしまいます。 代わりに、研究者らは、十分に密閉されたチャンバーに入れることができる液体電解質を使用し、薄い金属シートの下側​​に露出させました。 金属の上部は SEM 電子ビームにさらされ、金属の構造を調べて、その中に移動する水素原子の影響を観察できます。

電解液からの水素は金属の「上部まで拡散」し、そこでその効果が見られるとタサン氏は言う。 この内蔵システムの基本設計は、他の特性を検出するために他の種類の真空ベースの機器にも使用できます。 「これはユニークなセットアップです。私たちが知る限り、このようなことを実現できるのは世界で唯一です」と彼は言います。

電子顕微鏡画像は、チタン合金の結晶構造内に水素が蓄積していることを示しています。 画像では、青色で描かれた水素が金属内の結晶粒子間の界面に優先的に移動する様子が明らかになりました。 研究者の厚意による。

2種類のステンレス鋼とチタン合金という3つの異なる金属の最初のテストで、研究者らはすでにいくつかの新しい発見を行っている。 たとえば、彼らは、最も一般的に使用されているチタン合金におけるナノスケールの水素化物相の形成と成長プロセスを室温でリアルタイムで観察しました。

プロセスを機能させるには、漏れのないシステムを考案することが重要でした。 金属に水素をチャージするために必要な電解液は、「顕微鏡にとっては少し危険です」とタサン氏は言う。 「サンプルが破損し、電解液が顕微鏡室内に放出されると、電解液は装置の隅々まで浸透し、除去するのが困難になる可能性があります。」 特殊で高価な装置を使って最初の実験を行う時が来たとき、彼はこう言います。「私たちは興奮していましたが、同時に非常に緊張していました。失敗が起こる可能性はほとんどありませんでしたが、常に恐怖がありました。」

この研究には関与していない日本の九州大学の化学工学の特別教授である津崎兼昭氏は、これは「水素が転位運動にどのような影響を与えるかを解明するための重要な技術となる可能性がある。水素陰極用の酸溶液であるため、非常に困難である」と述べている。帯電は SEM チャンバー内に循環しています。これは機械にとって最も危険な測定の 1 つです。循環ジョイントから漏れが発生すると、非常に高価な走査型電子顕微鏡 (SEM) が酸溶液によって壊れてしまいます。非常に慎重な設計とこの測定器を作るには非常に高度なセットアップが必要です。」

津崎教授は、「実現すれば、この方法による成果は非常に大きくなるでしょう。SEMにより空間分解能が非常に高く、よく制御された水素雰囲気下でその場観察が可能になります。」と付け加えた。 その結果、タサン氏とキム氏は「この新しい方法によって水素補助転位運動に関する新たな知見が得られ、水素誘起機械的劣化のメカニズムが解明され、新しい耐水素材料が開発されるだろう」と同氏は信じているという。

この研究は、MIT エネルギー イニシアチブの先進原子力エネルギー システム向け低炭素エネルギー センターを通じて、Exelon Corp によって支援されました。

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