氫能源中金屬氫脆問題答疑梳理


2022年1月7日,材料人舉辦《氫定天下-氫能源線上研討會》,期間邀請悉尼大學陳翊升助理教授帶來《氫能源中金屬氫脆問題與挑戰》報告。陳老師的報告因故不能提供回看,我們將陳老師的答疑部分整理成文,供大家參考。

問:請問有機多孔晶體適不適合用APT測試氣體分子在晶體的擴散過程和吸附位置?
答:APT它本身這個樣品是一個針狀的樣品,并且針狀的樣品里面是希望是盡量不要是多孔的,因為我們要把它施加一個很強的電場,這個電廠它不但會把針尖的原子給剝離開來,被抽離開來給吸出來。除此之外,它也有可能這個電荷會在里面的一些缺陷或者是界面甚至是孔洞產生一些很強的應力。這個應力就想想象一下,如果你被一個很強的吸塵器在吸的時候,你的身體會被拉的很難過,這時候你最脆弱的地方最有可能在那個地方先壞掉,所以多孔材料目前為止在APT的分析里面是很難達到的,因為它里面有孔,如果這個孔不管是納米級的微米級的更糟糕,因為微米級的這個孔太大了對吧?如果是納米級的話也一樣的機會不大,因為那個地方有可能在APT的施加電場的過程當中,它就先壞掉了,如果先壞掉的時候,我們就沒有辦法好好的一一一顆原子的去收集它的信號,所以目前可行性是稍微低一些的。 但是也有目前之前在德國有也有一個也是APT很有名的中國籍的學者叫李彤老師,他也做出一些關于多孔材料用APT來分析的,結果之前發表在Science上面,這個的話有興趣各位再去查一下文。

問:樣品在做透射電鏡觀察時,樣品里面儲存的氫會不會脫附?如果脫附的話百分比大概是多少? 答:透射電鏡它會造成樣品的脫附,而且這個狀況非常嚴重。如果你這個樣品它本身并不是以化學化合物的方式來儲氫的話,基本上是看不太到氫的。當你的樣品只要片薄了之后,氫因為離表面的距離非常近,雖然很容易擴散到表面的時候直接跑掉了,所以用透射電鏡來觀察氫的在材料里面的分布一直都是不太可行的,除非它產生了很強的化合物,也就是說像比如說鎂的或者是鉑金,鎂跟鉑金會產生氫化鎂或者氫化鉑,這些很穩定的化合物,這時候才有可能去觀察氫化鎂這個材料本身,但氫化鎂當然跟鎂就是不一樣的材料了。所以這兩目前在透射方面去觀察氫的話,一直以來痛點短板,這也是為什么APT的這時候的使用就很重要。

問:輸送管道中的氫分子是如何轉變為氫原子進入鋼鐵機體的?
答:氫先附著在表面上面,這時候如果表面上面一些電荷的轉移或者是有一些催化點,各位知道表在材料的表面都不會是完全平整的,在原子級的情況之下表面都凹凹凸凸的,那只要任何地方能夠讓氫丟掉丟失電子,這時候氫就有可能氫鍵就可能會打破了,這個時候氫如果打破了之后也不會直接進到材料里面,它有可能會先有兩個氫的原子附著在表面上面。那之后如果在進去的能量比較低的情況之下,氫就會傾向于往材料里面走,但是氫往材料里面走能需要的能量遠遠小于把氫鍵打斷的的能量。所以氫鍵打斷是目前理解是最需要最多能量,這就是我們的瓶頸。如果表面上面很不巧的是有一些催化的這些這個可能的行為的話,這時候氫鍵容易被打斷的時候,基本上氫進到材料里面就非常容易了。

問:您介紹一下目前比較看好的儲氫,材料。
答:各有各的好處,什么像MOF也很好,然后金屬像鎂這種也很好,因為鎂的這種金屬材料很成熟,然后大家也都很熟悉了,只是它的風險比較高,是因為它的是粉末狀的粉末狀的,它從運輸當中可能會有些意外發生,它有可能會爆炸,所以一邊是安全性,一邊是效率高但是安全性不好,一邊是安全性好但是可能整體的體積的效率不一定好,其實目前都還在處于我覺得是還沒有確定下來的時候,這也是一個很好的機會。

問:電解水制氫取代傳統制氫的關鍵瓶頸是什么,前景如何
答:成本,能源效率,必須跟太陽能風能掛勾,靠其他清潔能源帶飛

問:氫對位錯的形核和位錯的運動會有阻礙作用,請問如何理解氫與位錯的交互作用?
答:氫在大部分的金屬內會促進位錯活動,但在鋁裡面有看過釘扎的效應,但目前大多數學者認同氫會促進位錯形成與運動

問:樣品準備中,包括您展示的SEM原位的實驗,充氫過程中如何定量氫的含量,進入電鏡中殘存的氫的量又如何確定呢
答: 我們用同一種材料的樣品另外用熱脫附儀做一組比較SEM原位實驗的模擬實驗來推測大概的氫殘量。

問:奧氏體鋼對氫脆敏感性最小,請問是否有相關材料的研究。
答:奧氏體鋼也有很多氫脆的研究,具體體現在晶界以及孿晶界的破壞,至于具體氫進到奧氏體鋼是如何作用的,我這邊還在開展相關研究。

問:測試APT時針狀的樣品是怎么制備的
答:用電化學拋光或者聚焦離子束(FIB)都能做到。

問:氫脆嚴重程度與溫度和壓力有關嗎
答: 有,氫壓越高越嚴重,溫度方面室溫最嚴重,高低溫都比較不明顯。

氫能源線上研討會回看地址:https://www.cailiaoren.com/vinfo.php?id=243

陳老師曾在材料人網上開課:https://www.cailiaoren.com/vinfo.php?id=201

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