"Přírodní slitiny" z hlubokomořských konkrecí

J. Kopeček1,*, F. Laufek2, L. Klimša1, A. Michalcová, L. Šulcová3, A. Tsepeleva3, K. Borkovcová3, D. Nováček3, Hong N. Vu3, P. Dvořák3, P. Novák3

1Department of Materials Analysis, Institute of Physics of the CAS, Prague, Czech Republic.

2Czech Geological Survey, Prague, Czech Republic.

3Department of Metals and Corrosion Engineering, University of Chemistry and Technology Prague, Prague, Czech Republic.

*Corresponding author, kopecek@fzu.cz

 

Kritický nedostatek barevných kovů spojený s tranzicí ekonomiky vede k hledání méně obvyklých zdrojů, jako jsou například hlubokomořské konkrece. Zatímco konvenční těžba je ekologicky závadná nebo probíhá v nedostatečně přátelských teritoriích, zóny hlubokomořského dna jsou volně dostupné nebo předmětem mezinárodních smluv, které je činí právně přístupné (např. společný claim několika post-socialistických zemí v zóně Clarion-Clipperton v Tichém oceánu). Odhlédneme-li od realizačních obtíží či vysokých vstupních nákladů, jedná se o zajímavý technologický i strukturní problém. Tradiční přístup ke konkrecím vycházel z postupné separace a následného čištění jednotlivých obsažených prvků a v hledání těch, které jsou finančně náležitě zajímavé pro těžbu. Projekt, jehož výsledky jsou prezentovány vychází z revoluční myšlenky „přírodních slitin“, tedy v redukci nikoli na čisté kovy, ale na čistou směs kovů, která bude následně využita jako funkční příměs například do hliníkové matrice. Konkrece byly redukovány aluminotermicky a titanotermicky se stechiometrickým a zvýšeným obsahem redukujícího kovu (obvykle 0, 10, 20 a 100 % přebytku).

Struktura takto získaných slitin byla následně studována strukturně (kombinace XRD, LOM, SEM), mechanicky i korozně. Získané výsledky jsou překvapivě komplexní – struktura je složitá, pozorované fáze jsou nestechiometrické, případně jsou prvky ve strukturách substituovány. Slitina bez přebytku hliníku při aluminotermii obsahuje majoritní fázi b- Mn0.66Ni0.2Si0.16 a tři minoritní fáze; slitina s 10 % přebytku obsahuje sedm fází, z nichž tři mají přes 10 hm. %; slitina s 10 % přebytku obsahuje 9 fází, z nichž pět je minoritních. Majoritní fáze ve všech vzorcích je odlišná. Mechanické vlastnosti jsou poplatné majoritnímu podílu manganu – připravené vzorky jsou tvrdé a extrémně křehké [1], avšak korozní vlastnosti jsou dobré [2]. Materiály připravené titanotermicky nechávají extrémní množství materiálu ve strusce, avšak výsledné složení není tak komplexní jako v případě aluminotermických materiálů. Ostatně výchozí fázové složené samotných konkrecí je také složité: obsahují birnessit, todorokit a křemen a další minoritní fáze.

Metodologicky byla práce postavena na součinnosti metod XRD (Bruker D8 Advance) a SEM (Tescan FERA 3) včetně analyzátorů EDS a EBSD (EDAX Octane Super 60 mm2 a DigiView V). Bylo dosaženo dobré shody v obsahu fází stanovaných pomocí XRD a EBSD/EDS. Některé zcela minoritní fáze byly potvrzeny pomocí EDS/EBSD, protože stejnou krystalografickou strukturu v materiálu mají i jiné, více zastoupené fáze (případ MnS). V aluminotermických slitinách byly potvrzeny Heuslerovy fáze Mn2FeAl a Mn2FeSi vlastně dříve než byl publikován jejich objev v čistých ternárních systémech.

[1] Novák P, Nguyen H V, Šulcová L, Kopeček J, Laufek F, Tsepeleva A, Dvořák P, Michalcová A 2021, Materials 14 561.

[2] Msallamová Š, Novák P, Miossec P, Kopeček J, Tsepeleva A, Rudomilová D, Fojt J 2021 Materials 14 5211.

Výzkum je podporován GA ČR z projektu 20-15217S a strukturními projekty MŠMT CzechNanoLab (LM2018110) a SOLID21 (CZ.02.1.01/0.0/0.0/16_019/0000760).