Ett genombrott inom rostfritt stål från University of Hong Kong (HKU) kan hjälpa till att lösa ett av de största problemen med grön vätgas: hur man bygger elektrolysörer som är tuffa nog för havsvatten, men billiga nog för storskalig ren energi.

Under ledning av professor Mingxin Huang vid HKU:s institution för maskinteknik utvecklade teamet ett speciellt rostfritt stål för vätgasproduktion (SS-H2). Materialet motstår korrosion under förhållanden som normalt pressar rostfritt stål över sina gränser, vilket gör det till en lovande kandidat för att producera vätgas från havsvatten och andra tuffa elektrolysörmiljöer.

Upptäckten, som rapporterades i Materials Today i studien "A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation", bygger på Huangs långvariga "Super Steel"-projekt. Samma forskningsprogram producerade tidigare anti-COVID-19 rostfritt stål 2021, tillsammans med extremt starkt och segt Super Steel 2017 och 2020.

Grön vätgas framställs genom att använda elektricitet, helst från förnybara källor, för att dela vatten till väte och syre. Havsvatten är en särskilt lockande råvara eftersom den är riklig, men den medför ett allvarligt materialproblem: salt, kloridjoner, sidoreaktioner och korrosion kan snabbt skada elektrolysörkomponenter.

Nyliga recensioner av direkt havsvattenelektrolys fortsätter att lyfta fram samma grundläggande utmaning. Tekniken skulle kunna ge en mer hållbar väg till vätgas, men korrosion, klorrelaterade sidoreaktioner, katalysatordegradering, fällningar och begränsad långsiktig hållbarhet är fortfarande stora hinder för kommersiell användning.

Det är här SS-H2 kan göra skillnad. I en saltvattenelektrolysör fann HKU-teamet att det nya stålet kan prestera jämförbart med de titanbaserade strukturella material som används i nuvarande industriell praxis för vätgasproduktion från avsaltat havsvatten eller syra. Skillnaden är kostnad. Titandelar belagda med ädelmetaller som guld eller platina är dyra, medan rostfritt stål är mycket mer ekonomiskt.

För ett 10 megawatts PEM-elektrolyssystem uppskattades den totala kostnaden vid tidpunkten för HKU-rapporten till cirka 17,8 miljoner HK-dollar, med strukturella komponenter som stod för så mycket som 53% av den kostnaden. Enligt teamets uppskattning skulle byte av dessa dyra strukturella material mot SS-H2 kunna minska kostnaden för strukturellt material med cirka 40 gånger.

Rostfritt stål har använts i mer än ett sekel i korrosiva miljöer eftersom det skyddar sig självt. Nyckelingrediensen är krom. När krom (Cr) oxiderar skapar det en tunn passiv film som skyddar stålet från skador.

Men det välbekanta skyddssystemet har en inbyggd begränsning. I konventionellt rostfritt stål kan det krombaserade skyddsskiktet brytas ned vid höga elektriska potentialer. Stabil Cr2O3 kan oxideras ytterligare till lösliga Cr(VI)-arter, vilket orsakar transpassiv korrosion vid cirka 1000 mV (mättad kalomelelektrod, SCE). Det är långt under de cirka 1600 mV som krävs för vattenoxidation.

Även 254SMO superrostfritt stål, ett referensmaterial av krombaserad legering känt för stark beständighet mot gropfrätning i havsvatten, når denna höga spänningsgräns. Det kan fungera bra i vanliga marina miljöer, men den extrema elektrokemiska miljön i vätgasproduktion är en annan utmaning.

HKU-teamets svar var en strategi som kallas "sekventiell dubbelpassivering". Istället för att bara förlita sig på den vanliga kromoxidbarriären bildar SS-H2 ett andra skyddsskikt.

Det första lagret är den välbekanta Cr2O3-baserade passiva filmen. Sedan, vid cirka 720 mV, bildas ett manganbaserat lager ovanpå det krombaserade lagret. Denna andra sköld hjälper till att skydda stålet i kloridhaltiga miljöer upp till en ultrahög potential på 1700 mV.

Det är det som gör fyndet så slående. Mangan ses vanligtvis inte som en vän till rostfritt ståls korrosionsbeständighet. Faktum är att den rådande uppfattningen har varit att mangan försvagar den.

"Inledningsvis trodde vi inte på det"