Forskare vid Sandia och Pacific Northwest nationella laboratorier leder ett samarbete för att undersöka hur väte påverkar material som plast, sudd, stål och aluminium.

Hydrogen Materials Compatibility Consortium, eller H-Mat, kommer att fokusera på hur väte påverkar polymerer och metaller som används i olika sektorer, inklusive bränslecellstransport och väteinfrastruktur. Forskare vid Oak Ridge, Savannah River och Argonne nationella laboratorier, såväl som inom industrin och akademin, ingår också i samarbetet. Insatsen stöder initiativet U.S. Department of Energy H2@Scale, som syftar till att främja väteutnyttjandet för energiproduktion och lagring samt industriella processer.

"De avancerade beräkningsmöjligheterna, unika experimentella anläggningar och vetenskaplig expertis vid de nationella laboratorierna kommer att ge ökad förståelse för växelverkan mellan vätgas och polymerer och metaller, "sa Chris San Marchi, Sandia materialvetare och medledare för konsortiet. "Målet är att förbättra materialtillförlitligheten i väteinfrastruktur för storskalig användning av väte som energibärare."

Avbildning över dimensioner

I dag, USA producerar cirka 10 miljoner ton väte varje år, främst för petroleumraffinering och ammoniakproduktion. Vätebehovet ökar inom transport, där tusentals bränsleceller används i gaffeltruckar och fordon. Vätetillämpningar växer också fram genom innovation inom ytterligare sektorer, såsom raffinering av järn och energilagring.

Nuvarande metallstrukturer som innehåller väte, som ventiler, bränsletankar och lagringskärl, tillverkas av flera dyra legeringar av aluminium och stål. I sådana material, väte interagerar med sitt atomiska smink på sätt som kan leda till skador. Komponenter inspekteras rutinmässigt och tas ur drift efter ett visst antal år så att denna skada inte leder till oväntade fel. Eftersom mekanismerna för interaktioner mellan väte och material vid nano och mikroskala inte är väl förstådda, livslängden för olika komponenter är utmanande att uppskatta. Ännu mindre är känt om hur väte påverkar polymerernas struktur och mekaniska egenskaper, såsom plaströr och gummitätningar.

Hittills, mycket av den befintliga väteinfrastrukturen har informerats av forskning som utförts på de nationella laboratorierna för att karakterisera metaller och polymerer i högtrycksvätgasmiljöer. H-Mat-konsortiet försöker gräva djupare i den underliggande vetenskapen om detta beteende, genom att använda avancerade avbildnings- och ytkarakteriseringstekniker för att studera väteinteraktioner med material i storleksskalor som sträcker sig från den atomistiska till den tekniska skalan. Forskare utvecklar också datormodeller för att förutsäga mekanismerna för dessa interaktioner och utvecklingen av väteinducerad skada. Dessa förutsägelser kan sedan hjälpa materialforskare att skräddarsy den sammansatta och mikrostrukturella sammansättningen av material för att klara väteinducerad skada.

Mikroskopiska nedbrytningsmekanismer

Väte påverkar metaller genom en klass av interaktioner som kallas väteförsprödning. Väteförsprödning och väteinducerad sprickbildning i metaller kan vara synliga för blotta ögat. Men dessa sprickor börjar med växelverkan mellan väte och ett material i längder som är tusen gånger mindre än bredden på ett människohår. Lite är känt om effekterna av väte vid dessa små längder.

Mycket mindre är känt om hur väte påverkar polymerer. För dessa material, väte kan bilda gasbubblor under tryck som koncentrerar stress och leder till skador. Det finns växande bevis för att väte också interagerar med polymerer i atomskala, vilket kan förbättra nedbrytningsmekanismerna.

Forskare vid Sandia studerar metaller och polymerers beteende medan de utsätts för högtrycksvätgasmiljöer med hjälp av unik utrustning på Livermore-campus, medan teamet vid Pacific Northwest National Lab leder karakterisering och experimentella studier av sprickbildning och nedbrytning i polymerer.

"Materialforskare vid de två laboratorierna är grunden för de experimentella studierna inom detta konsortium, säger Kevin Simmons, PNNL senior forskare som fungerar som H-Mat co-lead. "Vi utnyttjar också våra laboratoriers högpresterande beräkningsmöjligheter för att studera grundläggande väte-materialinteraktioner."

Forskare på samarbetslaboratorier ger expertis inom avancerad bildbehandling och ytterligare högpresterande datorer. Befintlig och ny akademiker, industriella och institutionella partnerskap ger kunskap om materiella behov för specifika infrastrukturapplikationer, och icke-proprietära uppgifter kommer att offentliggöras för att påskynda forskning och utveckling.