Simulationen zeigen, dass Eisen Korrosion in „inertem“ Kohlendioxid katalysiert
In Wasser rostendes Eisen sollte theoretisch in Kontakt mit einer „inerten“ überkritischen Flüssigkeit aus Kohlendioxid nicht korrodieren. Aber es tut es. Atomistische Simulationen, die an der Rice University, Houston, durchgeführt wurden, zeigen, wie diese Reaktion abläuft. Das Rice-Team hat eine Theorie, die zu neuen Strategien zum Schutz von Eisen vor der Umwelt beitragen könnte.
Rost – Foto © Gerhard Hofmann für Solarify
Der Materialtheoretiker Boris Yakobson und seine Kollegen von der George R. Brown School of Engineering der Rice University haben durch Simulationen auf atomarer Ebene herausgefunden, dass Eisen selbst eine Rolle bei seiner eigenen Korrosion spielt, wenn es superkritischem CO2 (sCO2) und Spuren von Wasser ausgesetzt ist, indem es die Bildung reaktiver Spezies in der Flüssigkeit fördert, die zurückkommen und es angreifen.
In ihrer in der Fachzeitschrift Matter von Cell Press veröffentlichten Studie kommen sie zu dem Schluss, dass dünne hydrophobe Schichten aus 2D-Materialien wie Graphen oder hexagonalem Bornitrid als Barriere zwischen Eisenatomen und den reaktiven Elementen von sCO2 eingesetzt werden könnten. Überkritische Flüssigkeiten sind Materialien, die sich bei einer Temperatur und einem Druck befinden, der sie ungefähr zwischen den Phasen hält – also nicht ganz flüssig, aber auch nicht ganz gasförmig. Die Eigenschaften von sCO2 machen es zu einer idealen Arbeitsflüssigkeit, da es den Forschern zufolge „im Wesentlichen inert“, nicht korrosiv und kostengünstig ist. „Die Beseitigung von Korrosion ist eine ständige Herausforderung, die viele Menschen beschäftigt, da sich die Regierung darauf vorbereitet, stark in die Infrastruktur zu investieren“, sagte Chemieprofessor Yakobson, Karl F. Hasselmann, Professor für Materialwissenschaften und NanoEngineering. „Eisen ist seit der Antike eine Säule der Infrastruktur, aber erst jetzt sind wir in der Lage, ein atomistisches Verständnis davon zu bekommen, wie es korrodiert.
Die Simulationen des Rice-Labors zeigen, dass der Teufel im Detail steckt. Frühere Studien haben die Korrosion auf das Vorhandensein von Wasser und anderen Verunreinigungen im Superfluid zurückgeführt, aber das ist nicht unbedingt der Fall, so Yakobson. „Wasser als primäre Verunreinigung in sCO2 bietet ein Wasserstoffbrückenbindungsnetzwerk, um Grenzflächenreaktionen mit CO2 und anderen Verunreinigungen wie Distickstoffoxid auszulösen und korrosive Säure zu bilden, die für Eisen schädlich ist“, so Li. Die Simulationen zeigten auch, dass das Eisen selbst als Katalysator wirkt, der die Reaktionsenergiebarrieren an der Grenzfläche zwischen Eisen und sCO2 senkt, was letztlich zur Bildung einer Vielzahl von korrosiven Spezies führt: Sauerstoff, Hydroxid, Carbonsäure und salpetrige Säure.
Für die Forscher veranschaulicht die Studie die Möglichkeiten der theoretischen Modellierung zur Lösung komplizierter chemischer Probleme, in diesem Fall zur Vorhersage thermodynamischer Reaktionen und zur Abschätzung der Korrosionsraten an der Grenzfläche zwischen Eisen und sCO2. Sie haben auch gezeigt, dass alle Möglichkeiten ausgeschöpft sind, wenn mehr als eine Spur von Wasser in der Superflüssigkeit vorhanden ist, was die Korrosion beschleunigt.
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