O descoperire în domeniul oțelului inoxidabil de la Universitatea din Hong Kong (HKU) ar putea ajuta la rezolvarea uneia dintre cele mai mari probleme ale hidrogenului verde: cum să construim electrolizoare suficient de rezistente pentru apa de mare, dar suficient de ieftine pentru energie curată la scară largă.

Condus de profesorul Mingxin Huang de la Departamentul de Inginerie Mecanică al HKU, echipa a dezvoltat un oțel inoxidabil special pentru producția de hidrogen (SS-H2). Materialul rezistă la coroziune în condiții care în mod normal duc oțelul inoxidabil dincolo de limitele sale, făcându-l un candidat promițător pentru producerea hidrogenului din apa de mare și alte medii dure ale electrolizoarelor.

Descoperirea, raportată în Materials Today în studiul „O strategie secvențială de dublă pasivare pentru proiectarea oțelului inoxidabil utilizat deasupra oxidării apei”, se bazează pe proiectul de lungă durată „Super Steel” al lui Huang. Același program de cercetare a produs anterior oțel inoxidabil anti-COVID-19 în 2021, împreună cu Super Steel ultra-rezistent și ultra-tare în 2017 și 2020.

Hidrogenul verde este produs prin utilizarea electricității, ideal din surse regenerabile, pentru a descompune apa în hidrogen și oxigen. Apa de mare este o materie primă deosebit de tentantă deoarece este abundentă, dar aduce o problemă serioasă de materiale: sarea, ionii de clorură, reacțiile secundare și coroziunea pot deteriora rapid componentele electrolizorului.

Recenzii recente ale electrolizei directe a apei de mare continuă să evidențieze aceeași provocare centrală. Tehnologia ar putea oferi o rută mai sustenabilă către hidrogen, dar coroziunea, reacțiile secundare legate de clor, degradarea catalizatorului, precipitatele și durabilitatea limitată pe termen lung rămân obstacole majore pentru utilizarea comercială.

Acolo ar putea conta SS-H2. Într-un electrolizor cu apă sărată, echipa HKU a descoperit că noul oțel poate performa comparabil cu materialele structurale pe bază de titan utilizate în practica industrială actuală pentru producția de hidrogen din apă de mare desalinizată sau acid. Diferența este costul. Piesele din titan acoperite cu metale prețioase precum aurul sau platina sunt scumpe, în timp ce oțelul inoxidabil este mult mai economic.

Pentru un sistem de electroliză PEM de 10 megawați, costul total la momentul raportului HKU a fost estimat la aproximativ 17,8 milioane de dolari HK, componentele structurale reprezentând până la 53% din această cheltuială. Conform estimărilor echipei, înlocuirea acestor materiale structurale costisitoare cu SS-H2 ar putea reduce costul materialului structural de aproximativ 40 de ori.

Oțelul inoxidabil a fost folosit de mai bine de un secol în medii corozive deoarece se protejează singur. Ingredientul cheie este cromul. Când cromul (Cr) se oxidează, creează un film pasiv subțire care protejează oțelul de deteriorare.

Dar acest sistem de protecție familiar are un plafon încorporat. În oțelul inoxidabil convențional, stratul protector pe bază de crom se poate descompune la potențiale electrice ridicate. Cr2O3 stabil poate fi oxidat în continuare în specii solubile de Cr(VI), provocând coroziune transpasivă la aproximativ ~1000 mV (electrod saturat de calomel, SCE). Acesta este mult sub ~1600 mV necesar pentru oxidarea apei.

Chiar și oțelul inoxidabil super 254SMO, un aliaj de referință pe bază de crom cunoscut pentru rezistența puternică la pitting în apa de mare, întâmpină această limită de înaltă tensiune. Poate performa bine în medii marine obișnuite, dar mediul electrochimic extrem al producției de hidrogen este o provocare diferită.

Răspunsul echipei HKU a fost o strategie numită „dublă pasivare secvențială”. În loc să se bazeze doar pe bariera obișnuită de oxid de crom, SS-H2 formează un al doilea strat protector.

Primul strat este filmul pasiv pe bază de Cr2O3. Apoi, la aproximativ ~720 mV, un strat pe bază de mangan se formează deasupra stratului pe bază de crom. Acest al doilea scut ajută la protejarea oțelului în medii care conțin clorură până la un potențial ultra-înalt de 1700 mV.

Aceasta face descoperirea atât de remarcabilă. Manganul nu este de obicei privit ca un prieten al rezistenței la coroziune a oțelului inoxidabil. De fapt, opinia predominantă a fost că manganul o slăbește.

„Inițial, nu am crezut”, a spus profesorul Huang. „Dar experimentele repetate au confirmat că manganul, în combinație cu cromul, poate forma un strat protector dublu care funcționează la potențiale mult mai mari decât orice oțel inoxidabil existent.”

Echipa a testat SS-H2 în condiții care simulează electroliza apei de mare și a constatat că materialul a menținut integritatea structurală și a rezistat coroziunii pentru perioade lungi de operare. În timp ce oțelurile inoxidabile convenționale s-ar fi degradat rapid, SS-H2 a rămas intact, demonstrând potențialul său pentru aplicații practice.

Implicațiile pentru hidrogenul verde sunt semnificative. Dacă SS-H2 poate fi produs la scară largă, ar putea reduce dramatic costul electrolizoarelor, făcând hidrogenul din apa de mare o opțiune viabilă din punct de vedere economic. Acest lucru ar putea accelera tranziția către o economie bazată pe hidrogen, oferind o sursă curată de combustibil pentru industrii, transport și generare de energie.

Cu toate acestea, mai sunt provocări de depășit. Echipa trebuie să demonstreze că SS-H2 poate fi fabricat în cantități mari și că performanța sa se menține pe termen lung în condiții reale de operare. De asemenea, trebuie să se asigure că materialul poate fi integrat în designurile existente ale electrolizoarelor.

În ciuda acestor obstacole, descoperirea reprezintă un pas important înainte. Așa cum a spus profesorul Huang: „Am transformat un defect perceput – manganul – într-un avantaj. Aceasta este frumusețea științei materialelor: uneori, ceea ce crezi că este o slăbiciune poate deveni cea mai mare putere.”

Pe măsură ce lumea caută soluții pentru a reduce emisiile de carbon și a combate schimbările climatice, inovații precum SS-H2 oferă o rază de speranță. Poate că, în curând, vom putea produce hidrogen curat din cea mai abundentă resursă a Pământului – apa de mare – fără a sparge banca. Și totul datorită unui oțel care refuză să ruginească, chiar și când este rugat frumos.