Une percée dans le domaine de l'acier inoxydable à l'Université de Hong Kong (HKU) pourrait aider à résoudre l'un des plus grands problèmes de l'hydrogène vert : comment construire des électrolyseurs suffisamment robustes pour l'eau de mer, mais assez bon marché pour une énergie propre à grande échelle.

Dirigée par le professeur Mingxin Huang du département de génie mécanique de HKU, l'équipe a développé un acier inoxydable spécial pour la production d'hydrogène (SS-H2). Le matériau résiste à la corrosion dans des conditions qui poussent normalement l'acier inoxydable au-delà de ses limites, ce qui en fait un candidat prometteur pour produire de l'hydrogène à partir d'eau de mer et d'autres environnements d'électrolyse difficiles.

La découverte, rapportée dans Materials Today dans l'étude "A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation", s'appuie sur le projet "Super Steel" de longue date de Huang. Le même programme de recherche a précédemment produit un acier inoxydable anti-COVID-19 en 2021, ainsi qu'un Super Steel ultra résistant et ultra robuste en 2017 et 2020.

L'hydrogène vert est produit en utilisant de l'électricité, idéalement provenant de sources renouvelables, pour diviser l'eau en hydrogène et oxygène. L'eau de mer est une matière première particulièrement tentante car elle est abondante, mais elle pose un sérieux problème de matériaux : le sel, les ions chlorure, les réactions secondaires et la corrosion peuvent rapidement endommager les composants de l'électrolyseur.

Des revues récentes de l'électrolyse directe de l'eau de mer continuent de souligner le même défi central. La technologie pourrait offrir une voie plus durable vers l'hydrogène, mais la corrosion, les réactions secondaires liées au chlore, la dégradation des catalyseurs, les précipités et la durabilité limitée à long terme restent des obstacles majeurs à une utilisation commerciale.

C'est là que le SS-H2 pourrait faire la différence. Dans un électrolyseur d'eau salée, l'équipe de HKU a constaté que le nouvel acier peut fonctionner de manière comparable aux matériaux structurels à base de titane utilisés dans la pratique industrielle actuelle pour la production d'hydrogène à partir d'eau de mer dessalée ou d'acide. La différence réside dans le coût. Les pièces en titane recouvertes de métaux précieux comme l'or ou le platine sont chères, tandis que l'acier inoxydable est beaucoup plus économique.

Pour un système de cuve d'électrolyse PEM de 10 mégawatts, le coût total au moment du rapport de HKU était estimé à environ 17,8 millions de dollars HK, les composants structurels représentant jusqu'à 53 % de cette dépense. Selon l'estimation de l'équipe, le remplacement de ces matériaux structurels coûteux par du SS-H2 pourrait réduire le coût du matériau structurel d'environ 40 fois.

L'acier inoxydable est utilisé depuis plus d'un siècle dans des environnements corrosifs car il se protège lui-même. L'ingrédient clé est le chrome. Lorsque le chrome (Cr) s'oxyde, il crée un mince film passif qui protège l'acier des dommages.

Mais ce système de protection familier a un plafond intégré. Dans l'acier inoxydable conventionnel, la couche protectrice à base de chrome peut se décomposer à des potentiels électriques élevés. Le Cr2O3 stable peut être davantage oxydé en espèces solubles de Cr(VI), provoquant une corrosion transpassive à environ ~1000 mV (électrode au calomel saturé, ECS). C'est bien en dessous des ~1600 mV nécessaires pour l'oxydation de l'eau.

Même l'acier inoxydable super 254SMO, un alliage à base de chrome de référence connu pour sa forte résistance aux piqûres dans l'eau de mer, rencontre cette limite de haute tension. Il peut bien fonctionner dans des environnements marins ordinaires, mais l'environnement électrochimique extrême de la production d'hydrogène est un défi différent.

La réponse de l'équipe de HKU a été une stratégie appelée "double passivation séquentielle". Au lieu de se fier uniquement à la barrière d'oxyde de chrome habituelle, le SS-H2 forme une deuxième couche protectrice.

La première couche est le film passif à base de Cr2O3 familier. Ensuite, à environ ~720 mV, une couche à base de manganèse se forme au-dessus de la couche à base de chrome. Ce deuxième bouclier aide à protéger l'acier dans des environnements contenant du chlorure jusqu'à un potentiel ultra élevé de 1700 mV.

C'est ce qui rend la découverte si frappante. Le manganèse n'est généralement pas considéré comme un ami de la résistance à la corrosion de l'acier inoxydable. En fait, l'opinion dominante était que le manganèse l'affaiblit.

"Au début, nous n'y croyions pas..."