Ein Durchbruch bei Edelstahl von der Universität Hongkong (HKU) könnte eines der größten Probleme von grünem Wasserstoff lösen: wie man Elektrolyseure baut, die robust genug für Meerwasser und dennoch günstig genug für saubere Energie im großen Maßstab sind.

Unter der Leitung von Professor Mingxin Huang vom Fachbereich Maschinenbau der HKU entwickelte das Team einen speziellen Edelstahl für die Wasserstoffproduktion (SS-H2). Das Material widersteht Korrosion unter Bedingungen, die normalerweise Edelstahl an seine Grenzen bringen, und ist damit ein vielversprechender Kandidat für die Gewinnung von Wasserstoff aus Meerwasser und anderen rauen Elektrolyseur-Umgebungen.

Die Entdeckung, die in Materials Today in der Studie „A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation“ veröffentlicht wurde, baut auf Huangs langjährigem „Super Steel“-Projekt auf. Dasselbe Forschungsprogramm produzierte zuvor 2021 einen Anti-COVID-19-Edelstahl sowie 2017 und 2020 extrem starken und zähen Super Steel.

Grüner Wasserstoff wird hergestellt, indem man mit Strom – idealerweise aus erneuerbaren Quellen – Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Meerwasser ist ein besonders verlockender Rohstoff, weil es reichlich vorhanden ist, aber es bringt ein ernstes Materialproblem mit sich: Salz, Chloridionen, Nebenreaktionen und Korrosion können Elektrolyseur-Komponenten schnell beschädigen.

Aktuelle Übersichtsarbeiten zur direkten Meerwasserelektrolyse heben immer wieder dieselbe Kernherausforderung hervor. Die Technologie könnte einen nachhaltigeren Weg zu Wasserstoff bieten, aber Korrosion, chlorbedingte Nebenreaktionen, Katalysatorabbau, Ausfällungen und begrenzte Langzeitbeständigkeit bleiben große Hindernisse für den kommerziellen Einsatz.

Hier könnte SS-H2 eine Rolle spielen. In einem Salzwasser-Elektrolyseur stellte das HKU-Team fest, dass der neue Stahl vergleichbare Leistungen erbringt wie die titanbasierten Strukturmaterialien, die derzeit in der industriellen Praxis zur Wasserstoffgewinnung aus entsalztem Meerwasser oder Säure verwendet werden. Der Unterschied sind die Kosten. Mit Edelmetallen wie Gold oder Platin beschichtete Titanteile sind teuer, während Edelstahl weitaus wirtschaftlicher ist.

Für ein 10-Megawatt-PEM-Elektrolyse-Tanksystem wurden die Gesamtkosten zum Zeitpunkt des HKU-Berichts auf etwa 17,8 Millionen Hongkong-Dollar geschätzt, wobei Strukturkomponenten bis zu 53 % dieser Kosten ausmachten. Nach Schätzung des Teams könnte der Ersatz dieser teuren Strukturmaterialien durch SS-H2 die Kosten für Strukturmaterial um etwa das 40-fache senken.

Edelstahl wird seit über einem Jahrhundert in korrosiven Umgebungen eingesetzt, weil er sich selbst schützt. Die entscheidende Zutat ist Chrom. Wenn Chrom (Cr) oxidiert, bildet es einen dünnen Passivfilm, der den Stahl vor Schäden schützt.

Aber dieses vertraute Schutzsystem hat eine eingebaute Grenze. Bei herkömmlichem Edelstahl kann die chrombasierte Schutzschicht bei hohen elektrischen Potentialen zusammenbrechen. Stabiles Cr2O3 kann weiter zu löslichen Cr(VI)-Spezies oxidiert werden, was bei etwa ~1000 mV (gesättigte Kalomelelektrode, SCE) zu transpassiver Korrosion führt. Das liegt weit unter den ~1600 mV, die für die Wasseroxidation benötigt werden.

Selbst 254SMO-Super-Edelstahl, ein chrombasierter Referenzlegierung mit starker Lochfraßbeständigkeit in Meerwasser, stößt an diese Hochspannungsgrenze. Er mag in gewöhnlichen marinen Umgebungen gut funktionieren, aber die extreme elektrochemische Umgebung der Wasserstoffproduktion ist eine andere Herausforderung.

Die Antwort des HKU-Teams war eine Strategie namens „sequentielle Doppelpassivierung“. Anstatt sich nur auf die übliche Chromoxid-Barriere zu verlassen, bildet SS-H2 eine zweite Schutzschicht.

Die erste Schicht ist der bekannte Cr2O3-basierte Passivfilm. Dann, bei etwa ~720 mV, bildet sich eine manganbasierte Schicht auf der chrombasierten Schicht. Dieser zweite Schutzschild hilft, den Stahl in chloridhaltigen Umgebungen bis zu einem ultrahohen Potential von 1700 mV zu schützen.

Das macht den Befund so bemerkenswert. Mangan wird normalerweise nicht als Freund der Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl angesehen. Tatsächlich herrscht die Ansicht vor, dass Mangan sie schwächt.

„Zunächst haben wir es nicht geglaubt, weil...“