Un avance en acero inoxidable de la Universidad de Hong Kong (HKU) podría ayudar a resolver uno de los mayores problemas que enfrenta el hidrógeno verde: cómo construir electrolizadores que sean lo suficientemente resistentes para el agua de mar, pero lo suficientemente baratos para la energía limpia a gran escala.

Dirigido por el profesor Mingxin Huang del Departamento de Ingeniería Mecánica de la HKU, el equipo desarrolló un acero inoxidable especial para la producción de hidrógeno (SS-H2). El material resiste la corrosión en condiciones que normalmente llevan al acero inoxidable más allá de sus límites, lo que lo convierte en un candidato prometedor para producir hidrógeno a partir de agua de mar y otros entornos hostiles de electrolizadores.

El descubrimiento, reportado en Materials Today en el estudio "Una estrategia de doble pasivación secuencial para diseñar acero inoxidable utilizado por encima de la oxidación del agua", se basa en el proyecto "Super Steel" de larga duración de Huang. El mismo programa de investigación produjo anteriormente acero inoxidable anti-COVID-19 en 2021, junto con Super Steel ultra resistente y ultra duro en 2017 y 2020.

El hidrógeno verde se produce utilizando electricidad, idealmente de fuentes renovables, para dividir el agua en hidrógeno y oxígeno. El agua de mar es una materia prima especialmente tentadora porque es abundante, pero trae un grave problema de materiales: la sal, los iones de cloruro, las reacciones secundarias y la corrosión pueden dañar rápidamente los componentes del electrolizador.

Revisiones recientes de la electrólisis directa de agua de mar continúan destacando el mismo desafío central. La tecnología podría proporcionar una ruta más sostenible hacia el hidrógeno, pero la corrosión, las reacciones secundarias relacionadas con el cloro, la degradación del catalizador, los precipitados y la durabilidad limitada a largo plazo siguen siendo obstáculos importantes para el uso comercial.

Ahí es donde el SS-H2 podría marcar la diferencia. En un electrolizador de agua salada, el equipo de la HKU encontró que el nuevo acero puede rendir de manera comparable a los materiales estructurales basados en titanio utilizados en la práctica industrial actual para la producción de hidrógeno a partir de agua de mar desalada o ácido. La diferencia es el costo. Las piezas de titanio recubiertas con metales preciosos como oro o platino son caras, mientras que el acero inoxidable es mucho más económico.

Para un sistema de tanque de electrólisis PEM de 10 megavatios, el costo total en el momento del informe de la HKU se estimó en aproximadamente 17,8 millones de dólares de Hong Kong, con los componentes estructurales representando hasta el 53% de ese gasto. Según la estimación del equipo, reemplazar esos costosos materiales estructurales con SS-H2 podría reducir el costo del material estructural en aproximadamente 40 veces.

El acero inoxidable se ha utilizado durante más de un siglo en entornos corrosivos porque se protege a sí mismo. El ingrediente clave es el cromo. Cuando el cromo (Cr) se oxida, crea una fina película pasiva que protege el acero del daño.

Pero ese sistema de protección familiar tiene un límite incorporado. En el acero inoxidable convencional, la capa protectora basada en cromo puede descomponerse a altos potenciales eléctricos. El Cr2O3 estable puede oxidarse aún más en especies solubles de Cr(VI), causando corrosión transpasiva a alrededor de ~1000 mV (electrodo de calomel saturado, SCE). Eso está muy por debajo de los ~1600 mV necesarios para la oxidación del agua.

Incluso el superacero inoxidable 254SMO, una aleación de referencia basada en cromo conocida por su fuerte resistencia a las picaduras en agua de mar, se topa con este límite de alto voltaje. Puede funcionar bien en entornos marinos ordinarios, pero el entorno electroquímico extremo de la producción de hidrógeno es un desafío diferente.

La respuesta del equipo de la HKU fue una estrategia llamada "doble pasivación secuencial". En lugar de depender solo de la barrera habitual de óxido de cromo, el SS-H2 forma una segunda capa protectora.

La primera capa es la película pasiva basada en Cr2O3. Luego, a alrededor de ~720 mV, se forma una capa basada en manganeso sobre la capa basada en cromo. Este segundo escudo ayuda a proteger el acero en entornos que contienen cloruro hasta un potencial ultra alto de 1700 mV.

Eso es lo que hace que el hallazgo sea tan sorprendente. El manganeso generalmente no se considera un amigo de la resistencia a la corrosión del acero inoxidable. De hecho, la opinión predominante ha sido que el manganeso la debilita.

"Inicialmente, no lo creímos porque"