Um avanço no aço inoxidável da Universidade de Hong Kong (HKU) pode ajudar a resolver um dos maiores problemas do hidrogênio verde: como construir eletrolisadores que sejam resistentes o suficiente para água do mar, mas baratos o suficiente para energia limpa em larga escala.

Liderado pelo Professor Mingxin Huang no Departamento de Engenharia Mecânica da HKU, a equipe desenvolveu um aço inoxidável especial para produção de hidrogênio (SS-H2). O material resiste à corrosão sob condições que normalmente levam o aço inoxidável ao seu limite, tornando-o um candidato promissor para produzir hidrogênio a partir da água do mar e outros ambientes agressivos de eletrolisadores.

A descoberta, relatada na Materials Today no estudo "A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation", baseia-se no projeto "Super Steel" de longa data de Huang. O mesmo programa de pesquisa produziu anteriormente aço inoxidável anti-COVID-19 em 2021, junto com o Super Steel ultra forte e ultra resistente em 2017 e 2020.

O hidrogênio verde é produzido usando eletricidade, idealmente de fontes renováveis, para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. A água do mar é uma matéria-prima especialmente tentadora porque é abundante, mas traz um sério problema de materiais: sal, íons cloreto, reações secundárias e corrosão podem danificar rapidamente os componentes do eletrolisador.

Revisões recentes sobre eletrólise direta da água do mar continuam destacando o mesmo desafio central. A tecnologia poderia fornecer uma rota mais sustentável para o hidrogênio, mas corrosão, reações secundárias relacionadas ao cloro, degradação do catalisador, precipitados e durabilidade limitada a longo prazo continuam sendo grandes obstáculos para o uso comercial.

É aí que o SS-H2 pode fazer a diferença. Em um eletrolisador de água salgada, a equipe da HKU descobriu que o novo aço pode ter desempenho comparável aos materiais estruturais à base de titânio usados atualmente na prática industrial para produção de hidrogênio a partir de água do mar dessalinizada ou ácido. A diferença é o custo. Peças de titânio revestidas com metais preciosos como ouro ou platina são caras, enquanto o aço inoxidável é muito mais econômico.

Para um sistema de tanque de eletrólise PEM de 10 megawatts, o custo total na época do relatório da HKU foi estimado em cerca de HK$ 17,8 milhões, com componentes estruturais representando até 53% dessa despesa. De acordo com a estimativa da equipe, substituir esses materiais estruturais caros pelo SS-H2 poderia reduzir o custo do material estrutural em cerca de 40 vezes.

O aço inoxidável tem sido usado por mais de um século em ambientes corrosivos porque se protege. O ingrediente chave é o cromo. Quando o cromo (Cr) oxida, cria uma fina película passiva que protege o aço de danos.

Mas esse sistema de proteção familiar tem um teto embutido. No aço inoxidável convencional, a camada protetora à base de cromo pode se quebrar em altos potenciais elétricos. O Cr2O3 estável pode ser ainda mais oxidado em espécies solúveis de Cr(VI), causando corrosão transpassiva em torno de ~1000 mV (eletrodo de calomelano saturado, SCE). Isso está bem abaixo dos ~1600 mV necessários para a oxidação da água.

Até mesmo o super aço inoxidável 254SMO, uma liga à base de cromo de referência conhecida por forte resistência à corrosão por pites em água do mar, encontra esse limite de alta voltagem. Pode ter um bom desempenho em ambientes marinhos comuns, mas o ambiente eletroquímico extremo da produção de hidrogênio é um desafio diferente.

A resposta da equipe da HKU foi uma estratégia chamada "passivação dupla sequencial". Em vez de depender apenas da barreira usual de óxido de cromo, o SS-H2 forma uma segunda camada protetora.

A primeira camada é a película passiva familiar à base de Cr2O3. Então, em torno de ~720 mV, uma camada à base de manganês se forma sobre a camada à base de cromo. Este segundo escudo ajuda a proteger o aço em ambientes contendo cloreto até um potencial ultra alto de 1700 mV.

É isso que torna a descoberta tão impressionante. O manganês geralmente não é visto como amigo da resistência à corrosão do aço inoxidável. Na verdade, a visão predominante tem sido que o manganês a enfraquece.

"Inicialmente, não acreditávamos nisso"