Explorer l'absorption d'hydrogène gazeux dans l'acier des pipelines en utilisant une approche expérimentale-théorique: l'importance de l'état de surface

Exploring gaseous hydrogen uptake in pipeline steel using a combined experimental-theoretical approach: the importance of surface state

• Auteur / Autrice : Minli Chen
• Direction : Dimitri Mercier
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Chimie Analytique
• Date : Inscription en doctorat le 11/12/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Chimie physique et chimie analytique de Paris Centre (Paris ; 2000-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche de Chimie Paris
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Physico-Chimie des Surfaces (PCS)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Chimie ParisTech / École Nationale Supérieure de Chimie de Paris (ENSCP)

Mots clés

Mots clés libres

H2

Surfaces oxydées

Caractérisation chimique des surfaces

ToF-SIMS

H2

Oxidized surfaces

Chemical surface characterisation

ToF-SIMS

Résumé

Dans le contexte de la lutte contre le changement climatique, l'hydrogène peut jouer un rôle clé en tant que vecteur énergétique dans la diminution des émissions de CO2 s'il est produit à partir de sources renouvelables. Pour son stockage, une option viable consiste à stocker l'hydrogène sous sa forme moléculaire (H2) dans des récipients à haute pression et à haute résistance. Cependant, le stockage de l'hydrogène gazeux dans des récipients sous pression en acier ou son transport dans des pipelines présente un risque de fragilisation par l'hydrogène et de défaillances dangereuses. La physico-chimie des processus d'entrée de l'hydrogène dans les aciers ferritiques – première étape avant de laisser l'hydrogène atomique « produit en externe » occuper des positions spécifiques dans la matrice – peut être modifiée en fonction de la nature de la surface. Les aciers pour pipelines à faible teneur en carbone sont recouverts d'oxydes de fer natifs, dont le rôle contre la pénétration de l'hydrogène n'est pas bien établi bien qu'il soit généralement considéré comme protecteur. En effet, cette hypothèse reste discutable dans le contexte de la garantie de l'intégrité de ces gazoducs remplis d'hydrogène à haute pression pour les décennies à venir. Il est donc essentiel d'explorer en détail les mécanismes par lesquels l'hydrogène interagit, s'adsorbe sur l'oxyde de fer et se diffuse dans la sous-couche superficielle. Dans le programme de doctorat proposé, des oxydes et/ou hydroxydes de fer seront élaborés sur des surfaces de fer ou d'acier ferritique (mono et/ou polycristallin) et étudiés par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et spectrométrie de masse des ions secondaires à temps de vol ( TOF-SIMS) pour déterminer les compositions chimiques, les épaisseurs et la stratification de ces oxydes. La réactivité de ces surfaces en présence d'hydrogène sera testée selon une approche originale basée sur des marqueurs isotopiques (D2) suivis de ToF-SIMS. Ce L'approche abordera différentes questions (i) les modifications chimiques des oxydes induites par l'hydrogène, (ii) le rôle protecteur des couches d'oxydes sur la pénétration de l'hydrogène dans l'oxyde et le substrat métallique, La cinétique d'adsorption et/ou de diffusion de l'hydrogène. sur/dans l'oxyde et le matériau en vrac seront mesurés. De plus, d'autres types de surfaces et/ou l'impact des contaminants pourraient être explorés. En fonction des progrès réalisés, il est prévu de compléter le programme expérimental par une modélisation moléculaire (théorie fonctionnelle de la densité). De telles études informatiques chercheraient à étudier les mécanismes de réaction d'adsorption et de diffusion de H2 dans l'oxyde de fer et la matrice ferritique.

In the context of combatting climate change, hydrogen can play a key role as an energy vector in diminishing CO2 emissions if produced from renewable sources. For its storage, one viable option is to store hydrogen under high-pressure, high-strength vessels in its molecular (H2) form. However, storing hydrogen gas in steel pressure vessels or transporting it in pipelines run the risk of hydrogen embrittlement and dangerous failures. The physical chemistry of hydrogen entry processes into ferritic steels –the first step prior to letting “externally produced” atomic hydrogen occupies specific positions in the matrix– can be modified depending on the nature of the surface. Low carbon pipeline steels are covered with native iron oxides, whose role against hydrogen penetration is not well established although it is generally considered to be protective. Indeed, this hypothesis remains questionable in the context of assuring integrity of these high-pressure hydrogen-filled gas pipelines for decades to come. It is therefore essential to explore in details the mechanisms by which hydrogen interacts, adsorbs on iron oxide, and diffuses into the surface sublayer. In the proposed PhD program, iron oxides and/or hydroxides will be elaborated on iron or ferritic steel surfaces (mono and/or polycrystalline) and studied using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) to determine chemical compositions, thicknesses and stratification of these oxides. The reactivity of these surfaces in the presence of hydrogen will be tested using an original approach based on isotopic markers (D2) followed by ToF-SIMS. This approach will address different questions (i) the chemical modifications of oxides induced by hydrogen, (ii) the protective role of the oxide layers on the penetration of hydrogen into the oxide and the metal substrate, The kinetics of adsorption and/or diffusion of hydrogen on/in oxide and bulk material will be measured. Additionally, other types of surfaces and/or the impact of contaminants could be explored. Depending on progress, it is planned to complete the experimental program with molecular modelling (density functional theory). Such computational studies would seek to investigate reaction mechanisms of H2 adsorption and H2 diffusion in the iron oxide and the ferritic matrix.