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Hydrogen absorption mechanism into iron in aqueous solution including metal cations by laser ablation tests and first-principles calculations

レーザーアブレーション試験および第一原理計算による金属カチオンを含む水溶液中の鉄への水素吸収メカニズム

五十嵐 誉廣; 大谷 恭平; 加藤 千明; 坂入 正敏*; 富樫 侑介*; 馬場 和彦*; 高木 周作*

Igarashi, Takahiro; Otani, Kyohei; Kato, Chiaki; Sakairi, Masatoshi*; Togashi, Yusuke*; Baba, Kazuhiko*; Takagi, Shusaku*

水溶液中の金属カチオン(Zn$$^{2+}$$, Mg$$^{2+}$$, Na$$^{+}$$)が鉄への水素透過に及ぼす影響を明らかにするために、鉄表面からの水素透過量をレーザーアブレーションを用いた電気化学試験により測定した。また、金属カチオンによる水素透過の基本的なメカニズムを得るために、第一原理計算を使用して金属カチオンの吸着ポテンシャルと鉄表面周辺の電子状態を取得した。実験解析から、溶液中のZn$$^{2+}$$によって鉄表面の陽極反応が抑制されることがわかった。また量子解析から、ZnイオンはNa, Mgイオンよりも鉄表面に強く結合することがわかった。これより、鉄の溶解反応はZn層の形成により抑制され鉄への水素透過の抑制につながることが示唆された。

In order to clarify the effect of metal cations (Zn$$^{2+}$$, Mg$$^{2+}$$, Na$$^{+}$$) in aqueous solution on hydrogen permeation into iron, the amount of hydrogen permeation from iron surface was measured by electrochemical tests with a laser ablation. Moreover, in order to obtain the basic mechanism of hydrogen permeation with metal cation, first-principles calculations were used to acquire the adsorption potential of the metal cation and the electronic state around iron surface. By Zn$$^{2+}$$ in solution, anodic reaction on ablated surface by laser irradiation was suppressed. Also, by quantum analysis Zn atoms were chemically bonded stronger than Na and Mg atoms to iron surface. It was suggested that the dissolution reaction of iron was suppressed by the formation of the Zn layer, and that lead suppression of hydrogen permeation into iron.

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