Ny forskning undersøger korrosion på atomniveau

Når vanddamp møder metal, kan den resulterende korrosion føre til mekaniske problemer, der skader maskinens ydeevne. Gennem en proces kaldet passivering kan den også danne et tyndt inert lag, der fungerer som en barriere mod yderligere forringelse.

Uanset hvad er den nøjagtige kemiske reaktion ikke godt forstået på et atomært niveau, men det ændrer sig takket være en teknik kaldet miljøtransmissionselektronmikroskopi (TEM), som gør det muligt for forskere direkte at se molekyler, der interagerer på den mindst mulige skala.

Professor Guangwen Zhou – et fakultetsmedlem ved Binghamton Universitys Thomas J. Watson College of Engineering and Applied Science – har undersøgt hemmelighederne bag atomreaktioner, siden han kom til Department of Mechanical Engineering i 2007. Sammen med samarbejdspartnere fra University of Pittsburgh og Brookhaven National Laboratory, han har studeret de strukturelle og funktionelle egenskaber af metaller og processen med at fremstille "grønt" stål.

Deres seneste forskning, "Atomistiske mekanismer for vanddamp-induceret overfladepassivering," blev offentliggjort i november i tidsskriftet Science Advances .

I papiret introducerede Zhou og hans team vanddamp for at rense aluminiumsprøver og observerede overfladereaktionerne.

"Dette fænomen er velkendt, fordi det sker i vores daglige liv," sagde han. "Men hvordan reagerer vandmolekyler med aluminium for at danne dette passiveringslag? Hvis man ser på [forsknings]litteraturen, er der ikke meget arbejde med, hvordan dette sker på atomær skala. Hvis vi vil bruge det til gode, skal vi vide det. for så har vi en måde at kontrollere det på."

De opdagede noget, som aldrig var blevet observeret før:Ud over aluminiumhydroxidlaget, der dannede sig på overfladen, udviklede der sig et andet amorft lag under det, hvilket indikerer, at der er en transportmekanisme, der diffunderer ilt ind i substratet.

"De fleste korrosionsundersøgelser fokuserer på væksten af ​​passiveringslaget, og hvordan det bremser korrosionsprocessen," sagde Zhou. "For at se på det fra en atomskala, føler vi, at vi kan bygge bro over videnskløften."

Omkostningerne ved at reparere korrosion på verdensplan anslås til 2,5 billioner USD om året, hvilket er mere end 3 % af det globale BNP – så det ville være en økonomisk fordel at udvikle bedre måder at håndtere oxidation på.

Derudover kan forståelsen af, hvordan et vandmolekyles brint- og oxygenatomer brydes fra hinanden for at interagere med metaller, føre til rene energiløsninger, hvilket er grunden til, at det amerikanske energiministerium finansierede denne forskning og Zhous lignende projekter i fortiden.

"Hvis du bryder vand til ilt og brint, når du rekombinerer det, er det bare vand igen," sagde han. "Den har ikke forurening af fossile brændstoffer, og den producerer ikke kuldioxid."

På grund af implikationerne for ren energi har DOE regelmæssigt fornyet Zhou's bevillingsfinansiering i løbet af de sidste 15 år.

"Jeg sætter stor pris på den langsigtede støtte til denne forskning," sagde Zhou. "Det er et meget vigtigt emne for energienheder eller energisystemer, fordi du har en masse metalliske legeringer, der bruges som strukturelt materiale."

Flere oplysninger: Xiaobo Chen et al., Atomistiske mekanismer for vanddamp-induceret overfladepassivering, Science Advances (2023). DOI:10.1126/sciadv.adh5565

Journaloplysninger: Videnskabelige fremskridt

Leveret af Binghamton University