Un nuovo acciaio inossidabile per il trasporto e lo stoccaggio sicuro dell'idrogeno
La strategia di passivazione supera la corrosione e l'infragilimento da idrogeno
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L'idrogeno è una pietra miliare dei futuri sistemi energetici neutrali dal punto di vista climatico. Tuttavia, immagazzinare e trasportare l'idrogeno in modo sicuro rimane una sfida importante per i materiali. Gli acciai inossidabili sono candidati interessanti perché sono resistenti, economici e ampiamente utilizzati. Tuttavia, anche i tipi più avanzati sono vulnerabili alla corrosione e all'infragilimento da idrogeno, un processo in cui l'idrogeno penetra nel metallo, indebolisce i legami interni e può infine portare a un cedimento improvviso. In un nuovo studio, un team di ricerca internazionale guidato dall'Università di Scienza e Tecnologia di Pechino e dal Max Planck Institute for Sustainable Materials (MPI-SusMat) ha sviluppato un nuovo acciaio inossidabile austenitico che affronta entrambe le sfide contemporaneamente. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista Science Advances.
Usare l'azoto per proteggere i bordi dei grani
I confini dei grani sono tra i difetti più vulnerabili dei metalli.
Agiscono come vie di diffusione rapida per l'idrogeno e come siti attivi per le reazioni di corrosione elettrochimica. L'infragilimento da idrogeno si verifica quando l'idrogeno mobile si accumula in queste interfacce, creando concentrazioni di stress locali che possono innescare la decoesione e la cricca. La corrosione, invece, deriva dalle interazioni elettrochimiche tra la microstruttura del materiale e l'ambiente circostante.
"La sfida consisteva nello sviluppare un acciaio inossidabile che rimanesse meccanicamente affidabile in presenza di idrogeno, offrendo al contempo un'elevata resistenza alla corrosione", spiega Dierk Raabe, direttore di MPI-SusMat e autore corrispondente dello studio. "Allo stesso tempo, il materiale doveva essere efficiente dal punto di vista dei costi e compatibile con i processi produttivi consolidati. Poiché i confini dei grani sono i difetti più vulnerabili, ci siamo concentrati sulla prevenzione dell'ingresso di idrogeno proprio in questi punti".
La passivazione su scala atomica offre una protezione a lungo termine
Invece di affidarsi esclusivamente a una pellicola di ossido superficiale convenzionale, i ricercatori hanno introdotto atomi di azoto direttamente nei bordi dei grani dell'acciaio. Questa decorazione su scala atomica blocca efficacemente l'accesso all'idrogeno e sopprime l'attività dei difetti prima che si verifichino i danni.
Il risultato è una lega (Fe-20Cr-9Ni-2,5Mn-1,6Mo-1Cu-0,2N) che mostra un aumento di 3,8 volte della resistenza alla corrosione e di 1,35 volte della resistenza all'infragilimento da idrogeno rispetto all'acciaio inossidabile 316L commerciale.
Una soluzione scalabile e sostenibile
A differenza delle strategie che intrappolano l'idrogeno nei precipitati, che possono saturarsi rapidamente, la passivazione dei bordi dei grani offre una protezione a lungo termine.
La nuova lega è economicamente vantaggiosa, compatibile con i processi industriali consolidati e ha un'impronta di carbonio inferiore rispetto a molte alternative ad alte prestazioni. Combinando durata, tolleranza all'idrogeno e convenienza, offre un percorso realistico verso condotte, serbatoi e componenti più sicuri per il trasporto e lo stoccaggio dell'idrogeno.
Questa strategia di progettazione su scala atomica potrebbe essere estesa ad altre leghe, aprendo nuove opportunità per materiali durevoli in applicazioni energetiche, chimiche e infrastrutturali.
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