Una svolta nell'acciaio inossidabile dall'Università di Hong Kong (HKU) potrebbe aiutare a risolvere uno dei più grandi problemi dell'idrogeno verde: come costruire elettrolizzatori abbastanza resistenti per l'acqua di mare, ma abbastanza economici per l'energia pulita su larga scala.

Guidato dal professor Mingxin Huang del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'HKU, il team ha sviluppato un acciaio inossidabile speciale per la produzione di idrogeno (SS-H2). Il materiale resiste alla corrosione in condizioni che normalmente spingono l'acciaio inossidabile oltre i suoi limiti, rendendolo un candidato promettente per la produzione di idrogeno dall'acqua di mare e da altri ambienti difficili degli elettrolizzatori.

La scoperta, riportata su Materials Today nello studio "A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation", si basa sul progetto "Super Steel" di lunga data di Huang. Lo stesso programma di ricerca ha prodotto in precedenza acciaio inossidabile anti-COVID-19 nel 2021, insieme a Super Steel ultra resistente e ultra tenace nel 2017 e 2020.

L'idrogeno verde viene prodotto utilizzando elettricità, idealmente da fonti rinnovabili, per dividere l'acqua in idrogeno e ossigeno. L'acqua di mare è una materia prima particolarmente allettante perché abbondante, ma porta con sé un serio problema di materiali: sale, ioni cloruro, reazioni collaterali e corrosione possono danneggiare rapidamente i componenti dell'elettrolizzatore.

Recenti revisioni dell'elettrolisi diretta dell'acqua di mare continuano a evidenziare la stessa sfida centrale. La tecnologia potrebbe fornire una via più sostenibile all'idrogeno, ma la corrosione, le reazioni collaterali legate al cloro, il degrado del catalizzatore, i precipitati e la limitata durabilità a lungo termine rimangono ostacoli importanti all'uso commerciale.

È qui che SS-H2 potrebbe fare la differenza. In un elettrolizzatore di acqua salata, il team dell'HKU ha scoperto che il nuovo acciaio può funzionare in modo paragonabile ai materiali strutturali a base di titanio utilizzati nella pratica industriale attuale per la produzione di idrogeno da acqua di mare desalinizzata o acido. La differenza è il costo. Le parti in titanio rivestite con metalli preziosi come oro o platino sono costose, mentre l'acciaio inossidabile è molto più economico.

Per un sistema di elettrolisi PEM da 10 megawatt, il costo totale al momento del rapporto HKU era stimato in circa 17,8 milioni di dollari di Hong Kong, con i componenti strutturali che rappresentano fino al 53% di tale spesa. Secondo la stima del team, sostituire quei costosi materiali strutturali con SS-H2 potrebbe ridurre il costo del materiale strutturale di circa 40 volte.

L'acciaio inossidabile è stato utilizzato per più di un secolo in ambienti corrosivi perché si protegge da solo. L'ingrediente chiave è il cromo. Quando il cromo (Cr) si ossida, crea una sottile pellicola passiva che protegge l'acciaio dai danni.

Ma quel familiare sistema di protezione ha un limite intrinseco. Nell'acciaio inossidabile convenzionale, lo strato protettivo a base di cromo può rompersi ad alti potenziali elettrici. Il Cr2O3 stabile può essere ulteriormente ossidato in specie solubili di Cr(VI), causando corrosione transpassiva a circa ~1000 mV (elettrodo al calomelano saturo, SCE). Ciò è ben al di sotto dei ~1600 mV necessari per l'ossidazione dell'acqua.

Anche il super acciaio inossidabile 254SMO, una lega di riferimento a base di cromo nota per la forte resistenza alla vaiolatura in acqua di mare, incontra questo limite di alta tensione. Può funzionare bene in ambienti marini ordinari, ma l'ambiente elettrochimico estremo della produzione di idrogeno è una sfida diversa.

La risposta del team HKU è stata una strategia chiamata "doppia passivazione sequenziale". Invece di fare affidamento solo sulla solita barriera di ossido di cromo, SS-H2 forma un secondo strato protettivo.

Il primo strato è la familiare pellicola passiva a base di Cr2O3. Poi, a circa ~720 mV, uno strato a base di manganese si forma sopra lo strato a base di cromo. Questo secondo scudo aiuta a proteggere l'acciaio in ambienti contenenti cloruri fino a un potenziale ultra alto di 1700 mV.

Questo è ciò che rende la scoperta così sorprendente. Il manganese di solito non è visto come amico della resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile. In effetti, l'opinione prevalente è che il manganese lo indebolisca.

"Inizialmente, non ci credevamo"