Waterstofdiffusie

Waterstofdiffusie is het proces waarbij waterstofatomen of waterstofmoleculen zich door een stof verplaatsen onder invloed van een concentratie- of chemische potentiaalgradiënt. In gassen en vloeistoffen verloopt diffusie vaak eenvoudig, maar in vaste stoffen gebeurt diffusie meestal via interstitiële migratie: waterstofatomen bewegen door het kristallijne rooster tussen interstitiële posities.

Bij metalen is dit doorgaans de belangrijkste transportmodus. Een oppervlak wordt blootgesteld aan waterstofgas; moleculen dissociëren tot atomen die in het bulk diffunderen. De snelheid wordt bepaald door de diffusiecoëfficiënt D, die sterk afhangt van temperatuur, materiaal en microstructuur en meestal een Arrhenius-relatie volgt: D = D0 exp(-Qd/RT). Traps zoals vacante plaatsen, korrelgrenzen en dislocaties kunnen de diffusie beïnvloeden.

Oplosbaarheid volgt vaak Sieverts’ wet: de waterstofconcentratie in het metaal is recht evenredig met de wortel van de waterstofdruk (c ∝ sqrt(p_H2)). Permeatie door een membraan omvat drie stappen: oplosning, diffusie en uitwas. De permeabiliteit P is het product van D en S (P = D × S).

Waterstofdiffusie speelt een rol bij waterstofembrittlement: diffusie van waterstof kan leiden tot verlies van ductiliteit en tot scheurvorming, vooral bij hoge druk of bepaalde legeringen. Daarom is diffusie een cruciale factor bij ontwerp van materialen voor waterstofopslag, brandstofcellen, membranen en coatings.

Meetmethoden omvatten tracertechnieken met deuterium, elektrochemische permeatietests (Devanathan–Stachurski) en neutronen- of röntgenprofilering. Deze geven diffusiecoëfficiënten en oplosbaarheden en ondersteunen materiaalontwerp en kwaliteitscontrole.