قد يساعد اختراق في الفولاذ المقاوم للصدأ من جامعة هونغ كونغ (HKU) في حل واحدة من أكبر المشاكل التي تواجه الهيدروجين الأخضر: كيفية بناء محللات كهربائية قوية بما يكفي لمياه البحر، ورخيصة بما يكفي للطاقة النظيفة على نطاق واسع.
بقيادة البروفيسور مينغشين هوانغ في قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هونغ كونغ، طور الفريق فولاذًا مقاومًا للصدأ خاصًا لإنتاج الهيدروجين (SS-H2). تقاوم المادة التآكل في ظروف تدفع عادةً الفولاذ المقاوم للصدأ إلى ما بعد حدوده، مما يجعله مرشحًا واعدًا لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر وغيرها من بيئات المحللات الكهربائية القاسية.
الاكتشاف، الذي نُشر في مجلة Materials Today في دراسة بعنوان "استراتيجية التخميل المزدوج المتسلسل لتصميم الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم فوق أكسدة الماء"، يبني على مشروع "سوبر ستيل" الطويل الأمد لهوانغ. أنتج نفس البرنامج البحثي سابقًا فولاذًا مقاومًا للصدأ مضادًا لكوفيد-19 في عام 2021، بالإضافة إلى سوبر ستيل فائق القوة والمتانة في عامي 2017 و2020.
يُصنع الهيدروجين الأخضر باستخدام الكهرباء، ويفضل أن تكون من مصادر متجددة، لتقسيم الماء إلى هيدروجين وأكسجين. تعتبر مياه البحر مادة خام مغرية بشكل خاص لأنها وفيرة، لكنها تجلب مشكلة مواد خطيرة: يمكن للملح وأيونات الكلوريد والتفاعلات الجانبية والتآكل أن تتلف مكونات المحلل الكهربائي بسرعة.
تستمر المراجعات الحديثة للتحليل الكهربائي المباشر لمياه البحر في تسليط الضوء على نفس التحدي الأساسي. يمكن أن توفر التكنولوجيا طريقًا أكثر استدامة للهيدروجين، لكن التآكل والتفاعلات الجانبية المرتبطة بالكلور وتدهور المحفز والرواسب والمتانة المحدودة على المدى الطويل تظل عقبات رئيسية أمام الاستخدام التجاري.
هنا يمكن أن يكون SS-H2 مهمًا. في محلل كهربائي للمياه المالحة، وجد فريق HKU أن الفولاذ الجديد يمكن أن يؤدي بشكل مماثل للمواد الهيكلية القائمة على التيتانيوم المستخدمة في الممارسة الصناعية الحالية لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر المحلاة أو الحمض. الفرق هو التكلفة. أجزاء التيتانيوم المطلية بالمعادن الثمينة مثل الذهب أو البلاتين باهظة الثمن، بينما الفولاذ المقاوم للصدأ أكثر اقتصادًا بكثير.
بالنسبة لنظام خزان تحليل كهربائي من نوع PEM بقدرة 10 ميغاواط، قدرت التكلفة الإجمالية في وقت تقرير HKU بحوالي 17.8 مليون دولار هونغ كونغ، مع المكونات الهيكلية التي تشكل ما يصل إلى 53٪ من تلك النفقة. وفقًا لتقدير الفريق، يمكن أن يؤدي استبدال تلك المواد الهيكلية باهظة الثمن بـ SS-H2 إلى تقليل تكلفة المواد الهيكلية بحوالي 40 مرة.
استخدم الفولاذ المقاوم للصدأ لأكثر من قرن في البيئات المسببة للتآكل لأنه يحمي نفسه. المكون الرئيسي هو الكروم. عندما يتأكسد الكروم (Cr)، فإنه يخلق طبقة سلبية رقيقة تحمي الفولاذ من التلف.
لكن نظام الحماية المألوف هذا له سقف مدمج. في الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي، يمكن أن تنهار الطبقة الواقية القائمة على الكروم عند الجهد الكهربائي العالي. يمكن أن يتأكسد Cr2O3 المستقر إلى أنواع Cr(VI) قابلة للذوبان، مما يسبب تآكلًا عابرًا عند حوالي 1000 مللي فولت (قطب كالوميل المشبع، SCE). وهذا أقل بكثير من حوالي 1600 مللي فولت اللازمة لأكسدة الماء.
حتى الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق 254SMO، وهو سبيكة قياسية قائمة على الكروم معروفة بمقاومتها القوية للتنقر في مياه البحر، يواجه هذا الحد عالي الجهد. قد يؤدي أداءً جيدًا في البيئات البحرية العادية، لكن البيئة الكهروكيميائية القاسية لإنتاج الهيدروجين تمثل تحديًا مختلفًا.
كانت إجابة فريق HKU استراتيجية تسمى "التخميل المزدوج المتسلسل". بدلاً من الاعتماد فقط على حاجز أكسيد الكروم المعتاد، يشكل SS-H2 طبقة واقية ثانية.
الطبقة الأولى هي الطبقة السلبية المعتادة القائمة على Cr2O3. ثم، عند حوالي 720 مللي فولت، تتشكل طبقة قائمة على المنغنيز فوق الطبقة القائمة على الكروم. يساعد هذا الدرع الثاني في حماية الفولاذ في البيئات المحتوية على الكلوريد حتى جهد فائق الارتفاع يبلغ 1700 مللي فولت.
هذا ما يجعل النتيجة مذهلة للغاية. لا يُنظر إلى المنغنيز عادةً على أنه صديق لمقاومة تآكل الفولاذ المقاوم للصدأ. في الواقع، الرأي السائد هو أن المنغنيز يضعفها.
"في البداية، لم نصدق ذلك"