Saat hidrogen bertemu baja

Baja kerusakan hidrogen. Baja berkekuatan tinggi, terutama yang digunakan untuk membangun jembatan, bangunan bertingkat tinggi dan infrastruktur minyak dan gas, rentan terhadap embrittlement yang disebabkan oleh hidrogen atom yang berasal dari lingkungan. Mekanisme kompleks di balik ini belum sepenuhnya dipahami. Film oksida asli pada baja dapat bertindak sebagai hambatan untuk memblokir hidrogen dari memasuki benda kerja baja. Para peneliti ingin menyelidiki interaksi hidrogen dengan oksida tipis pada baja dengan resolusi spasial dan temporal yang belum pernah terjadi sebelumnya.
Pada malam 11 September 2024, bagian sekitar 100 meter dari jembatan Carola di Dresden runtuh ke Sungai Elbe. Penyebabnya: Retak pada struktur tegangan baja jembatan yang disebabkan oleh hidrogen. Jembatan Carola sama sekali bukan bangunan pertama yang dipengaruhi oleh hidrogen. Contoh-contoh terkenal lainnya termasuk London pencakar langit 122 Leadenhall Street, yang dikenal sebagai Cheesegrater, dan penggantian sebagian Bay Bridge di San Francisco. Dalam kedua kasus, kegagalan baut baja mengakibatkan biaya renovasi mencapai jutaan.
Proses ini dikenal sebagai embrittlement hidrogen. Proses korosi tertentu dengan adanya pelepasan air hidrogen atom – elemen terkecil dalam tabel periodik – di permukaan komponen baja. Karena ukurannya yang kecil, hidrogen dengan mudah berdifusi ke dalam baja, mempromosikan pembentukan retak dan perambatan.
Fakta bahwa logam serangan hidrogen telah diketahui sejak abad ke -19. Namun, mekanisme kompleks di balik embrittlement hidrogen masih belum sepenuhnya dipahami – meskipun banyak penelitian. Para peneliti dari Laboratorium Teknologi dan Korosi sekarang sedang menyelidiki aspek embrittlement hidrogen yang telah mendapat sedikit perhatian hingga saat ini: interaksi hidrogen dengan apa yang disebut lapisan oksida asli pada baja.
Lapisan oksida asli, juga dikenal sebagai lapisan pasif, adalah lapisan tipis yang terbentuk secara alami di permukaan sebagian besar logam dan paduan. Inilah yang memberi baja tahan karat ketahanan korosi. Jenis dan komposisi lapisan ini, yang hanya beberapa nanometer tebal, berbeda dari baja ke baja. Beberapa oksida secara signifikan lebih stabil dan tahan terhadap hidrogen daripada yang lain, sehingga melindungi baja dari embrittlement. Inilah yang diteliti oleh para peneliti Chiara Menegus dan Claudia Cancellieri. Mereka berfokus secara khusus pada antarmuka antara logam dan lapisan oksida. “Hidrogen menumpuk di daerah di mana material tidak teratur,” jelas kandidat doktor Menegus. “Antarmuka logam-oksida adalah salah satu area tersebut.”
Mempelajari hidrogen dalam baja menantang. Elemen cahaya tidak dapat dilacak secara langsung menggunakan sebagian besar metode analisis konvensional. Dan percobaan harus terjadi tanpa adanya faktor lingkungan lainnya seperti oksigen dan kelembaban – jika tidak, interaksi kompleks muncul yang dapat menutupi pengaruh hidrogen. Tantangan terakhir adalah antarmuka itu sendiri: “Sulit untuk memeriksa antarmuka yang terkubur di dalam materi tanpa menghancurkan sampel,” kata Claudia Cancellieri, pemimpin kelompok penelitian dalam laboratorium teknologi gabungan dan korosi.
Para peneliti menguasai tantangan -tantangan ini dengan pengaturan eksperimental yang inovatif. Pada tahun pertama gelar doktornya, Chiara Menegus mengembangkan sel elektrokimia di mana sampel baja dipasang. Air ditempatkan di satu sisi sampel dan argon gas mulia inert di sisi lain. Dengan menerapkan tegangan listrik, hidrogen atom dihasilkan dari air. Hidrogen berdifusi melalui sampel tipis sampai mencapai lapisan oksida di sisi yang berlawanan, di mana ia berinteraksi dengan oksida asli. “Ini memungkinkan kita untuk mengisolasi interaksi hidrogen atom dengan oksida asli dari lingkungan yang tidak terkendali,” jelas Menegus. Semua langkah – dari merakit sel hingga menganalisis sampel – berlangsung di atmosfer pelindung, di dalam glovebox.
Untuk mengkarakterisasi sampel, para peneliti menggunakan teknik analisis yang unik di Swiss: Hard X-Ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES, lihat kotak info). Metode spektroskopi ini menggunakan sinar-X berenergi tinggi untuk menentukan jenis dan keadaan kimia atom dalam suatu bahan; Bukan hanya di permukaan atas, tetapi hingga 20 nanometer – cukup untuk mendeteksi lapisan oksida, yang setebal sekitar lima nanometer, dan antarmuka dengan baja di bawahnya.
Meskipun hidrogen itu sendiri tidak dapat secara langsung terdeteksi dengan metode ini, para peneliti telah dapat dengan jelas menunjukkan efeknya pada lapisan oksida. “Tes pertama menunjukkan bahwa hidrogen menurunkan lapisan oksida pelindung,” kata Menegus. Dia sekarang ingin menyelidiki oksida pada paduan besi-kromium yang berbeda serta beberapa baja biasa. Kemudian, para peneliti akan berkolaborasi dengan Ion Beam Physics Lab di ETH Zurich untuk secara langsung menentukan kandungan hidrogen dalam sampel secara real time, menggunakan metode akselerator partikel yang kompleks. “Kami berharap dapat lebih memahami efek hidrogen pada lapisan oksida asli dan menemukan bentuk oksida yang sangat resisten,” meringkas Menegus dan Cancellieri. Temuan mereka dapat menyebabkan konstruksi jembatan yang lebih tahan lama – serta infrastruktur yang lebih baik untuk penyimpanan dan transportasi hidrogen hijau.
Haxpes, kependekan dari spektroskopi fotoelektron x-ray keras, adalah metode analisis berdasarkan efek fotoelektrik, untuk penemuan yang Albert Einstein dianugerahi Hadiah Nobel dalam Fisika pada tahun 1921. Elektron “diusir” dari material menggunakan X-Ray, memungkinkan kesimpulan untuk ditarik tentang sifat chemical dari sampel. Sementara spektroskopi fotoelektron x-ray konvensional terbatas pada permukaan material, versi “keras”-haxpes-probe jauh lebih dalam ke dalam sampel berkat sinar-X berenergi tinggi dan memungkinkan karakterisasi yang tepat dari struktur berlapis-lapis dan antarmuka yang terkubur. HAXPES memiliki aplikasi dalam pengembangan perangkat mikroelektronik, baterai solid-state dan film tipis fungsional serta dalam penelitian katalisis dan korosi. Satu -satunya fasilitas di Swiss terletak di Laboratorium Bergabung EMPA dan Laboratorium Korosi di Dübendorf.