Novo aço inoxidável para transporte e armazenamento seguros de hidrogénio
A estratégia de passivação supera a corrosão e a fragilização por hidrogénio
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O hidrogénio é uma pedra angular dos futuros sistemas energéticos neutros em termos de clima. No entanto, armazenar e transportar o hidrogénio em segurança continua a ser um grande desafio em termos de materiais. Os aços inoxidáveis são candidatos atractivos porque são fortes, acessíveis e amplamente utilizados. No entanto, mesmo os tipos mais avançados são vulneráveis à corrosão e à fragilização por hidrogénio, um processo em que o hidrogénio penetra no metal, enfraquece as ligações internas e pode, em última análise, conduzir a uma falha súbita. Num novo estudo, uma equipa de investigação internacional liderada pela Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim e pelo Instituto Max Planck para materiais sustentáveis (MPI-SusMat) desenvolveu um novo aço inoxidável austenítico que responde a ambos os desafios ao mesmo tempo. Os resultados foram agora publicados na revista Science Advances.
Utilizar o azoto para proteger os limites de grão
Os limites de grão são dos defeitos mais vulneráveis nos metais.
Funcionam como vias de difusão rápida para o hidrogénio e como locais activos para reacções de corrosão eletroquímica. A fragilização por hidrogénio ocorre quando o hidrogénio móvel se acumula nestas interfaces, criando concentrações locais de tensão que podem desencadear a decoesão e a fissuração. A corrosão, por sua vez, resulta de interações electroquímicas entre a microestrutura do material e o ambiente circundante.
"O desafio consistia em desenvolver um aço inoxidável que permanecesse mecanicamente fiável na presença de hidrogénio, oferecendo simultaneamente uma elevada resistência à corrosão", explica Dierk Raabe, diretor do MPI-SusMat e autor correspondente do estudo. "Ao mesmo tempo, o material tinha de ser rentável e compatível com as rotas de fabrico estabelecidas. Uma vez que os limites de grão são os defeitos mais vulneráveis, concentrámo-nos em evitar a entrada de hidrogénio precisamente nestes locais."
A passivação à escala atómica proporciona uma proteção a longo prazo
Em vez de se basearem apenas numa película de óxido de superfície convencional, os investigadores introduziram átomos de azoto diretamente nos limites de grão do aço. Esta decoração à escala atómica bloqueia eficazmente o acesso do hidrogénio e suprime a atividade dos defeitos antes que possam ocorrer danos.
O resultado é uma liga (Fe-20Cr-9Ni-2.5Mn-1.6Mo-1Cu-0.2N) que apresenta um aumento de 3,8 vezes na resistência à corrosão e uma melhoria de 1,35 vezes na resistência à fragilização por hidrogénio em comparação com o aço inoxidável 316L comercial.
Uma solução escalável e sustentável
Ao contrário das estratégias que retêm o hidrogénio em precipitados, que podem ficar rapidamente saturados, a passivação do contorno de grão oferece uma proteção a longo prazo.
A nova liga é económica, compatível com as rotas de processamento industrial estabelecidas e apresenta uma pegada de carbono mais baixa do que muitas alternativas de elevado desempenho. Ao combinar durabilidade, tolerância ao hidrogénio e preço acessível, oferece uma via realista para condutas, tanques e componentes mais seguros para o transporte e armazenamento de hidrogénio.
Esta estratégia de conceção à escala atómica poderá ser alargada a outras ligas, abrindo novas oportunidades para materiais duráveis em aplicações energéticas, químicas e de infra-estruturas.
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