Przełom w dziedzinie stali nierdzewnej z Uniwersytetu w Hongkongu (HKU) może pomóc rozwiązać jeden z największych problemów zielonego wodoru: jak zbudować elektrolizery, które są wystarczająco wytrzymałe do wody morskiej, a jednocześnie wystarczająco tanie do wielkoskalowej czystej energii.

Pod kierownictwem profesora Mingxina Huanga z Wydziału Inżynierii Mechanicznej HKU, zespół opracował specjalną stal nierdzewną do produkcji wodoru (SS-H2). Materiał ten opiera się korozji w warunkach, które normalnie wypychają stal nierdzewną poza jej granice, co czyni go obiecującym kandydatem do produkcji wodoru z wody morskiej i innych trudnych środowisk elektrolizerów.

Odkrycie, opisane w Materials Today w badaniu „A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation”, opiera się na długotrwałym projekcie „Super Steel” Huanga. Ten sam program badawczy wcześniej wyprodukował stal nierdzewną anty-COVID-19 w 2021 roku, a także ultrawytrzymałą i ultratwardą Super Steel w 2017 i 2020 roku.

Zielony wodór jest wytwarzany przez użycie energii elektrycznej, najlepiej ze źródeł odnawialnych, do rozszczepienia wody na wodór i tlen. Woda morska jest szczególnie kuszącym surowcem, ponieważ jest obfita, ale niesie ze sobą poważny problem materiałowy: sól, jony chlorkowe, reakcje uboczne i korozja mogą szybko uszkodzić elementy elektrolizera.

Ostatnie przeglądy bezpośredniej elektrolizy wody morskiej nadal podkreślają ten sam podstawowy problem. Technologia mogłaby zapewnić bardziej zrównoważoną drogę do wodoru, ale korozja, reakcje uboczne związane z chlorem, degradacja katalizatora, osady i ograniczona długoterminowa trwałość pozostają głównymi przeszkodami w komercyjnym zastosowaniu.

Tutaj właśnie SS-H2 może mieć znaczenie. W elektrolizerze słonej wody zespół HKU odkrył, że nowa stal może działać porównywalnie do tytanowych materiałów konstrukcyjnych stosowanych w obecnej praktyce przemysłowej do produkcji wodoru z odsolonej wody morskiej lub kwasu. Różnica polega na koszcie. Części tytanowe pokryte metalami szlachetnymi, takimi jak złoto czy platyna, są drogie, podczas gdy stal nierdzewna jest znacznie bardziej ekonomiczna.

Dla 10-megawatowego systemu zbiorników elektrolizy PEM całkowity koszt w momencie raportu HKU oszacowano na około 17,8 mln HKD, przy czym elementy konstrukcyjne stanowiły aż 53% tego wydatku. Według szacunków zespołu, zastąpienie tych kosztownych materiałów konstrukcyjnych SS-H2 mogłoby obniżyć koszt materiału konstrukcyjnego około 40 razy.

Stal nierdzewna jest używana od ponad wieku w środowiskach korozyjnych, ponieważ chroni się sama. Kluczowym składnikiem jest chrom. Kiedy chrom (Cr) utlenia się, tworzy cienką warstwę pasywną, która chroni stal przed uszkodzeniem.

Ale ten znajomy system ochronny ma wbudowany sufit. W konwencjonalnej stali nierdzewnej warstwa ochronna na bazie chromu może ulec zniszczeniu przy wysokich potencjałach elektrycznych. Stabilny Cr2O3 może być dalej utleniany do rozpuszczalnych form Cr(VI), powodując korozję transpasową przy około 1000 mV (nasycona elektroda kalomelowa, SCE). To znacznie poniżej około 1600 mV potrzebnych do utleniania wody.

Nawet super stal nierdzewna 254SMO, referencyjny stop na bazie chromu znany z silnej odporności na wżery w wodzie morskiej, napotyka ten limit wysokiego napięcia. Może działać dobrze w zwykłych warunkach morskich, ale ekstremalne środowisko elektrochemiczne produkcji wodoru to inne wyzwanie.

Odpowiedzią zespołu HKU była strategia zwana „sekwencyjną podwójną pasywacją”. Zamiast polegać tylko na zwykłej barierze z tlenku chromu, SS-H2 tworzy drugą warstwę ochronną.

Pierwsza warstwa to znajoma warstwa pasywna na bazie Cr2O3. Następnie, przy około 720 mV, na bazie chromu tworzy się warstwa na bazie manganu. Ta druga tarcza pomaga chronić stal w środowiskach zawierających chlorki aż do ultrawysokiego potencjału 1700 mV.

To właśnie sprawia, że odkrycie jest tak uderzające. Mangan zwykle nie jest postrzegany jako przyjaciel odporności stali nierdzewnej na korozję. W rzeczywistości panujący pogląd był taki, że mangan ją osłabia.

„Początkowo nie wierzyliśmy w to” – powiedział profesor Huang. „Ale eksperymenty potwierdziły, że mangan może faktycznie poprawić odporność na korozję w ekstremalnych warunkach.”

Zespół przetestował SS-H2 w symulowanym środowisku elektrolizy wody morskiej i stwierdził, że materiał wytrzymuje ponad 3000 godzin ciągłej pracy bez znaczącej degradacji. Dla porównania, konwencjonalne stale nierdzewne ulegają awarii w ciągu kilku godzin w tych samych warunkach.

Jeśli technologia zostanie skalowana, może obniżyć koszt produkcji zielonego wodoru, czyniąc go bardziej konkurencyjnym w stosunku do wodoru z paliw kopalnych. Może również umożliwić bezpośrednią elektrolizę wody morskiej, eliminując kosztowne procesy odsalania.

„To może zmienić zasady gry dla zielonego wodoru” – powiedział Huang. „Nasza stal jest tania, trwała i może pracować w trudnych warunkach. To dokładnie to, czego potrzebujemy, aby przyspieszyć przejście na czystą energię.”

Badania zostały opublikowane w Materials Today i są częścią trwającego projektu Super Steel, który ma na celu opracowanie zaawansowanych stali do różnych zastosowań. Zespół już pracuje nad komercjalizacją technologii i ma nadzieję, że SS-H2 będzie dostępny w ciągu najbliższych kilku lat.