Железо, ржавеющее в воде, теоретически не должно подвергаться коррозии при контакте с «инертным» сверхкритическим флюидом двуокиси углерода. Но это так.
Причина до сих пор ускользала от материаловедов , но у команды из Университета Райса есть теория, которая может способствовать новым стратегиям защиты железа от окружающей среды.
Теоретик материалов Борис Якобсон и его коллеги из Инженерной школы имени Джорджа Р. Брауна при Райсе с помощью моделирования на атомном уровне обнаружили, что железо само по себе играет роль в собственной коррозии при воздействии сверхкритического CO 2 (sCO 2 ) и следовых количеств воды, способствуя образование реактивных частиц в жидкости, которые возвращаются, чтобы атаковать ее.
В своем исследовании, опубликованном в журнале Matter Cell Press , они пришли к выводу, что тонкие гидрофобные слои двумерных материалов, таких как графен или гексагональный нитрид бора , могут использоваться в качестве барьера между атомами железа и реактивными элементами sCO 2 .
Соавторами статьи являются аспирант Райс Цинь-Кун Ли и научный сотрудник Алекс Кутана. Соавтор – доцент-исследователь риса Евгений Пенев.
Сверхкритические флюиды — это материалы, температура и давление которых удерживают их примерно между фазами — скажем, не только жидкость, но еще и не весь газ. Свойства sCO 2 делают его идеальной рабочей жидкостью, поскольку, по мнению исследователей, он «практически инертен», не вызывает коррозии и имеет низкую стоимость.
«Устранение коррозии — это постоянная проблема, и сейчас об этом думают многие люди, поскольку правительство готовится вкладывать значительные средства в инфраструктуру», — сказал Якобсон, профессор материаловедения и наноинженерии имени Карла Ф. Хассельмана, а также профессор химии. «Железо является опорой инфраструктуры с древних времен, но только сейчас мы можем получить атомарное представление о том, как оно подвергается коррозии».
Моделирование в лаборатории риса раскрывает дьявола в деталях. Предыдущие исследования связывали коррозию с присутствием большого количества воды и других загрязнителей в сверхтекучей жидкости, но это не обязательно так, сказал Якобсон.
«Вода, как основная примесь в sCO 2 , обеспечивает сеть водородных связей для запуска межфазных реакций с CO 2 и другими примесями, такими как закись азота, и образует коррозионную кислоту, вредную для железа», — сказал Ли.
Моделирование также показало, что само железо действует как катализатор, снижая энергетические барьеры реакции на границе между железом и sCO 2 , что в конечном итоге приводит к образованию множества коррозионно-активных веществ: кислорода, гидроксида, карбоновой кислоты и азотистой кислоты.
Исследователи считают, что исследование иллюстрирует возможности теоретического моделирования для решения сложных задач химии, в данном случае для предсказания термодинамических реакций и оценок скорости коррозии на границе между железом и sCO 2 . Они также показали, что все ставки сняты, если в сверхтекучей жидкости есть больше, чем следы воды, ускоряющей коррозию.
