Прорыв в области нержавеющей стали, совершённый в Гонконгском университете (HKU), может помочь решить одну из самых больших проблем зелёного водорода: как создать электролизёры, достаточно прочные для морской воды, но достаточно дешёвые для крупномасштабной чистой энергетики.

Под руководством профессора Минсина Хуана с кафедры машиностроения HKU команда разработала специальную нержавеющую сталь для производства водорода (SS-H2). Материал устойчив к коррозии в условиях, которые обычно выводят нержавеющую сталь за пределы её возможностей, что делает его перспективным кандидатом для получения водорода из морской воды и других агрессивных сред электролизёров.

Открытие, описанное в журнале Materials Today в исследовании «Стратегия последовательной двойной пассивации для проектирования нержавеющей стали, используемой при окислении воды», основано на давнем проекте Хуана «Суперсталь». Та же исследовательская программа ранее создала антиковидную нержавеющую сталь в 2021 году, а также сверхпрочную и сверхтвёрдую суперсталь в 2017 и 2020 годах.

Зелёный водород получают, используя электричество, в идеале из возобновляемых источников, для расщепления воды на водород и кислород. Морская вода является особенно заманчивым сырьём из-за её обилия, но она создаёт серьёзную проблему с материалами: соль, ионы хлора, побочные реакции и коррозия могут быстро повредить компоненты электролизёра.

Недавние обзоры прямого электролиза морской воды продолжают подчёркивать одну и ту же основную проблему. Технология могла бы обеспечить более устойчивый путь к водороду, но коррозия, побочные реакции, связанные с хлором, деградация катализатора, осадки и ограниченная долговременная долговечность остаются серьёзными препятствиями для коммерческого использования.

Вот где SS-H2 может иметь значение. В электролизёре с солёной водой команда HKU обнаружила, что новая сталь может работать сравнимо с титановыми конструкционными материалами, используемыми в современной промышленной практике для производства водорода из обессоленной морской воды или кислоты. Разница в цене. Титановые детали, покрытые драгоценными металлами, такими как золото или платина, дороги, в то время как нержавеющая сталь гораздо экономичнее.

Для системы электролизёра PEM мощностью 10 мегаватт общая стоимость на момент отчёта HKU оценивалась примерно в 17,8 миллиона гонконгских долларов, причём на конструкционные компоненты приходилось до 53% этих расходов. По оценкам команды, замена этих дорогих конструкционных материалов на SS-H2 может снизить стоимость конструкционного материала примерно в 40 раз.

Нержавеющая сталь используется более века в коррозионных средах, потому что она защищает себя. Ключевой ингредиент — хром. Когда хром (Cr) окисляется, он создаёт тонкую пассивную плёнку, которая защищает сталь от повреждений.

Но у этой знакомой системы защиты есть свой потолок. В обычной нержавеющей стали защитный слой на основе хрома может разрушаться при высоких электрических потенциалах. Стабильный Cr2O3 может дополнительно окисляться до растворимых видов Cr(VI), вызывая транспассивную коррозию при ~1000 мВ (насыщенный каломельный электрод, НКЭ). Это значительно ниже ~1600 мВ, необходимых для окисления воды.

Даже супернержавеющая сталь 254SMO, эталонный сплав на основе хрома, известный своей высокой стойкостью к питтингу в морской воде, сталкивается с этим ограничением высокого напряжения. Она может хорошо работать в обычных морских условиях, но экстремальная электрохимическая среда производства водорода — это другая задача.

Ответ команды HKU заключался в стратегии, названной «последовательная двойная пассивация». Вместо того чтобы полагаться только на обычный барьер из оксида хрома, SS-H2 образует второй защитный слой.

Первый слой — это знакомая пассивная плёнка на основе Cr2O3. Затем, при ~720 мВ, на основе марганца образуется слой поверх слоя на основе хрома. Этот второй щит помогает защитить сталь в средах, содержащих хлориды, вплоть до сверхвысокого потенциала 1700 мВ.

Вот что делает это открытие таким поразительным. Марганец обычно не считается другом коррозионной стойкости нержавеющей стали. Фактически, преобладающее мнение заключалось в том, что марганец ослабляет её.

«Сначала мы не поверили в это, потому что...»