홍콩대학교(HKU)의 스테인리스강 혁신이 그린수소의 가장 큰 난제 중 하나를 해결하는 데 도움이 될 수 있다. 바로 해수에도 견디면서 대규모 청정에너지에 충분히 저렴한 전해조를 만드는 문제다.
HKU 기계공학과의 황밍신(Mingxin Huang) 교수가 이끄는 연구팀은 수소 생산용 특수 스테인리스강(SS-H2)을 개발했다. 이 소재는 일반적으로 스테인리스강의 한계를 넘는 조건에서도 부식에 저항하여, 해수 및 기타 가혹한 전해조 환경에서 수소를 생산할 수 있는 유망한 후보가 된다.
이 발견은 'Materials Today'에 게재된 '수중 산화 이상에서 사용되는 스테인리스강 설계를 위한 순차적 이중 부동태화 전략'이라는 연구에서 보고되었으며, 황 교수의 오랜 '슈퍼 스틸' 프로젝트를 기반으로 한다. 같은 연구 프로그램은 2021년 항코로나19 스테인리스강, 2017년과 2020년에는 초강력 및 초인성 슈퍼 스틸을 개발한 바 있다.
그린수소는 전기(가급적 재생에너지)를 이용해 물을 수소와 산소로 분해하여 만든다. 해수는 풍부하기 때문에 특히 매력적인 원료이지만, 심각한 재료 문제를 야기한다. 염분, 염화물 이온, 부반응, 부식이 전해조 부품을 빠르게 손상시킬 수 있다.
최근의 직접 해수 전기분해에 대한 리뷰는 계속해서 동일한 핵심 과제를 강조한다. 이 기술은 수소 생산에 더 지속 가능한 경로를 제공할 수 있지만, 부식, 염소 관련 부반응, 촉매 열화, 침전물, 제한된 장기 내구성이 상업적 사용의 주요 장애물로 남아 있다.
바로 여기에 SS-H2가 중요해진다. HKU 팀은 염수 전해조에서 새 강재가 현재 산업 관행에서 담수화된 해수 또는 산에서 수소 생산에 사용되는 티타늄 기반 구조 재료와 비슷한 성능을 낼 수 있음을 발견했다. 차이는 비용이다. 금이나 백금과 같은 귀금속으로 코팅된 티타늄 부품은 비싸지만, 스테인리스강은 훨씬 경제적이다.
10MW PEM 전해조 탱크 시스템의 경우, HKU 보고서 당시 총 비용은 약 1780만 홍콩달러로 추정되었으며, 구조 부품이 그 비용의 최대 53%를 차지했다. 연구팀의 추정에 따르면, 이러한 고가의 구조 재료를 SS-H2로 대체하면 구조 재료 비용을 약 40배 줄일 수 있다.
스테인리스강은 부식 환경에서 100년 이상 사용되어 왔으며, 그 이유는 스스로를 보호하기 때문이다. 핵심 성분은 크롬이다. 크롬(Cr)이 산화되면 강재를 손상으로부터 보호하는 얇은 부동태 피막을 형성한다.
하지만 이 익숙한 보호 시스템에는 한계가 있다. 기존 스테인리스강에서 크롬 기반 보호층은 높은 전위에서 분해될 수 있다. 안정적인 Cr2O3는 추가 산화되어 가용성 Cr(VI) 종을 형성하여 약 1000mV(포화 칼로멜 전극, SCE)에서 과부동태 부식을 일으킨다. 이는 물 산화에 필요한 약 1600mV보다 훨씬 낮다.
해수에서 강한 내공식성을 가진 크롬 기반 합금의 벤치마크인 254SMO 슈퍼 스테인리스강조차 이 높은 전압 한계에 부딪힌다. 일반 해양 환경에서는 잘 작동할 수 있지만, 수소 생산의 극한 전기화학적 환경은 다른 도전 과제다.
HKU 팀의 해결책은 '순차적 이중 부동태화'라는 전략이었다. 일반적인 크롬 산화물 장벽에만 의존하는 대신, SS-H2는 두 번째 보호층을 형성한다.
첫 번째 층은 익숙한 Cr2O3 기반 부동태 피막이다. 그런 다음 약 720mV에서 크롬 기반 층 위에 망간 기반 층이 형성된다. 이 두 번째 보호막은 염화물 환경에서 최대 1700mV의 초고전위까지 강재를 보호하는 데 도움을 준다.
이것이 이 발견을 놀랍게 만드는 이유다. 망간은 일반적으로 스테인리스강의 내식성에 도움이 되지 않는 것으로 여겨진다. 사실, 망간이 내식성을 약화시킨다는 견해가 지배적이었다.
"처음에는 믿지 않았습니다. 왜냐하면..."