Een doorbraak in roestvrij staal van de Universiteit van Hongkong (HKU) zou een van de grootste problemen van groene waterstof kunnen helpen oplossen: hoe bouw je elektrolyseurs die sterk genoeg zijn voor zeewater, maar goedkoop genoeg voor grootschalige schone energie.

Onder leiding van professor Mingxin Huang van de afdeling Werktuigbouwkunde van HKU ontwikkelde het team een speciaal roestvrij staal voor waterstofproductie (SS-H2). Het materiaal is bestand tegen corrosie onder omstandigheden die normaal gesproken roestvrij staal tot het uiterste drijven, waardoor het een veelbelovende kandidaat is voor de productie van waterstof uit zeewater en andere zware elektrolyseomgevingen.

De ontdekking, gerapporteerd in Materials Today in de studie "A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation", bouwt voort op Huang's langlopende "Super Steel"-project. Hetzelfde onderzoeksprogramma leverde eerder anti-COVID-19 roestvrij staal in 2021, samen met ultrasteke en ultratough Super Steel in 2017 en 2020.

Groene waterstof wordt gemaakt door elektriciteit, idealiter uit hernieuwbare bronnen, te gebruiken om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Zeewater is een bijzonder verleidelijke grondstof omdat het overvloedig is, maar het brengt een serieus materiaalprobleem met zich mee: zout, chloride-ionen, nevenreacties en corrosie kunnen elektrolysecomponenten snel beschadigen.

Recente reviews van directe zeewaterelektrolyse blijven dezelfde kernuitdaging benadrukken. De technologie zou een duurzamere route naar waterstof kunnen bieden, maar corrosie, chloor-gerelateerde nevenreacties, katalysatordegradatie, neerslag en beperkte langetermijnduurzaamheid blijven grote obstakels voor commercieel gebruik.

Dat is waar SS-H2 van belang kan zijn. In een zoutwaterelektrolyseur ontdekte het HKU-team dat het nieuwe staal vergelijkbaar kan presteren als de op titanium gebaseerde constructiematerialen die in de huidige industriële praktijk worden gebruikt voor waterstofproductie uit ontzilt zeewater of zuur. Het verschil is de kosten. Titanium onderdelen bedekt met edelmetalen zoals goud of platina zijn duur, terwijl roestvrij staal veel economischer is.

Voor een 10 megawatt PEM-elektrolysetanksysteem werden de totale kosten op het moment van het HKU-rapport geschat op ongeveer HK$ 17,8 miljoen, waarbij constructiecomponenten maar liefst 53% van die kosten uitmaken. Volgens de schatting van het team zou het vervangen van die dure constructiematerialen door SS-H2 de kosten van constructiemateriaal met ongeveer 40 keer kunnen verlagen.

Roestvrij staal wordt al meer dan een eeuw gebruikt in corrosieve omgevingen omdat het zichzelf beschermt. Het belangrijkste ingrediënt is chroom. Wanneer chroom (Cr) oxideert, creëert het een dunne passieve film die het staal beschermt tegen schade.

Maar dat vertrouwde beschermingssysteem heeft een ingebouwd plafond. In conventioneel roestvrij staal kan de op chroom gebaseerde beschermlaag afbreken bij hoge elektrische potentialen. Stabiel Cr2O3 kan verder worden geoxideerd tot oplosbare Cr(VI)-soorten, wat transpassieve corrosie veroorzaakt bij ongeveer ~1000 mV (verzadigde calomelelektrode, SCE). Dat is ruim onder de ~1600 mV die nodig is voor wateroxidatie.

Zelfs 254SMO super roestvrij staal, een benchmark op chroom gebaseerde legering die bekend staat om sterke putcorrosiebestendigheid in zeewater, loopt tegen deze hoge spanningslimiet aan. Het presteert misschien goed in gewone maritieme omgevingen, maar de extreme elektrochemische omgeving van waterstofproductie is een andere uitdaging.

Het antwoord van het HKU-team was een strategie genaamd "sequentiële dual-passivering." In plaats van alleen te vertrouwen op de gebruikelijke chroomoxidebarrière, vormt SS-H2 een tweede beschermlaag.

De eerste laag is de vertrouwde op Cr2O3 gebaseerde passieve film. Vervolgens, bij ongeveer ~720 mV, vormt zich een op mangaan gebaseerde laag bovenop de op chroom gebaseerde laag. Dit tweede schild helpt het staal te beschermen in chloride-bevattende omgevingen tot een ultrahoge potentiaal van 1700 mV.

Dat is wat de bevinding zo opvallend maakt. Mangaan wordt meestal niet gezien als een vriend van corrosiebestendigheid van roestvrij staal. In feite is de heersende opvatting dat mangaan het verzwakt.

"Aanvankelijk geloofden we het niet, omdat..."