Elektrokatalytisk model för kontroll av transport i oxidkorngränser

Forskningsprojekt, 2014 – 2017

Sverige är av hävd världsledande på området metallbearbetning. Skälen till kontinuerlig grundvetenskaplig forskning och teknisk utveckling på området handlar om att förvalta och förädla dessa kompetenser för att säkerställa internationell konkurrenskraft. Drivande för materialutvecklingen idag är elproduktionen. Denna sker till övervägande del vid höga temperaturer och livslängd såväl som verkningsgrad bestäms ytterst av bränslecellernas, reaktorerna och pannornas korrosionsbeständighet. Under årens lopp har man utvecklat legeringar, d.v.s. fasta lösningar av olika metaller, med förbättrade korrosionsegenskaper utan att i detalj förstå hur de fungerar. Allteftersom materialen blir allt mer komplexa blir effekterna av de olika tillsatserna allt svårare att överblicka. Syftet med detta projekt är att utveckla ett begreppsmässigt ramverk för att åstadkomma förbättringar av de skyddande materialegenskaperna hos lastbärande legeringar. Bestämmande för dessas beständighet är nämligen egenskaperna hos det skyddande oxidskikt som bildas vid gränsytan mellan legeringen och den korrosiva miljön, ett oxidskikt som uppvisar så kallad polykristallin textur. Detta projekt syftar till att utveckla en heltäckande förståelse jämte beräkningsmodeller. Mer specifikt är vår forskning inriktad mot modellering av hur olika dopningar av gränssnitten mellan de mikrokristallina oxidiska kornen bestämmer de resulterande elektron och jonledande egenskaperna, som i sin tur avgör oxidens skyddande egenskaper. Sådant teoribygge rörande den elektrokemi som styr materialtransporterna i korngränserna är idag i hög utsträckning "stiglöst land". Vår metodik baserar sig på den rådande kvantmekaniska förståelsen av naturen. Vi har lång erfarenhet av relevanta beräkningar på metalliska och oxidiska material, med speciell inriktning mot kemiska, elektrokemiska och katalytiska processer. Vidare har vi genomfört ett antal pilotstudier som beskriver olika aspekter av korrosion av kromstål och zirkoniumlegeringar. Vi har således en diversifierad verktygslåda av begrepp och förståelser att utgå ifrån. I vår forskning studerar vi specifikt vattens inverkan på korrosionsprocesserna. Vatten kan verka korrosivt på flera olika sätt. Vi har tidigare i ett flertal studier beskrivit och utvecklat en modell för hur vatten undergräver det skyddande kromoxidskiktet på kromstål vid höga temperaturer, något som begränsar biobränsleeldade pannors verkningsgrad, då man tvingas till förbränning vid lägre temperaturer. I en pågående studie studerar vi vattens roll som oxidant i luftfria miljöer, som exempelvis i kärnkraftreaktorer. Bränslet är i det fallet inkapslat i rör av en zirkoniumlegering, som är tänkt att oxideras genom att ta syreatomer ur vattenmolekylerna under det att vätemolekyler avges. Istället ser man att betydande andelar av vätet tas upp i rörmaterialet. Vi utvecklar en mekanistisk förståelse för hur dopämnen i korngränserna påverkar vatteninträngning, vätejontransport samt katalytisk vätgasutveckling för att undertrycka väteupptaget som avgör livstiden för bränslet och därmed ekonomin för reaktorn. Dopämnenas roll är att förmedla elektroner från metallen in i oxidkorngränsen samt att utgöra katalysator, dvs verka utan att konsumeras. Effekten av dessa dopämnen blir därmed särskilt dominerande när de kristallina oxidkornen är isolatorer. Samtidigt är isolerande oxider ofta speciellt skyddande mot vidare oxidation. Så är fallet för aluminiumoxid på så kallade aluminabildande legeringar och nämnda zirkonia på zirkonlegeringar. I detta specifika modellbygge utgår vi från en grundläggande förståelse för elektrokatalytisk vattenoxidation, som vi själva utvecklat i ett flertal vetenskapliga arbeten, i analogi med fotosyntesen där vatten sönderdelas till syrgas, vätejoner och elektroner på en manganoxidkatalysator. Vår forskning om elektrokemin i skyddande oxidskikt på stål och andra lastbärande legeringar kopplar till den mest sofistikerade grundforskningen inom fasta tillståndets fysik, t.ex. tvådimensionella fenomen i syntetiska gränssnitt mellan olika oxidiska material, men också till utvecklingen av förbättrade fasta elektrolyter för bränslecellstillämpningar. Vi tar således avstamp i den grundläggande kvantfysiken och bryggar över till de teknologiska materialtillämpningarna i utvecklingen av hittills okända funktionella material under bibehållande av dialog med branschfolk för säkerställande av teknologiska relevansen och kompetensutveckling.