Hong Kong Üniversitesi'nden (HKÜ) bir paslanmaz çelik atılımı, yeşil hidrojenin karşı karşıya olduğu en büyük sorunlardan birini çözmeye yardımcı olabilir: deniz suyuna dayanıklı ancak büyük ölçekli temiz enerji için yeterince ucuz elektrolizörlerin nasıl yapılacağı.
HKÜ Makine Mühendisliği Bölümü'nden Profesör Mingxin Huang liderliğindeki ekip, hidrojen üretimi için özel bir paslanmaz çelik (SS-H2) geliştirdi. Malzeme, normalde paslanmaz çeliği sınırlarının ötesine zorlayan koşullar altında korozyona direnç gösteriyor ve bu da onu deniz suyundan ve diğer zorlu elektrolizör ortamlarından hidrojen üretimi için umut verici bir aday haline getiriyor.
Materials Today'de "Su oksidasyonunun üzerinde kullanılan paslanmaz çelik tasarımı için sıralı çift pasivasyon stratejisi" başlıklı çalışmada rapor edilen keşif, Huang'ın uzun süredir devam eden "Süper Çelik" Projesi'ne dayanıyor. Aynı araştırma programı daha önce 2021'de anti-COVID-19 paslanmaz çelik, 2017 ve 2020'de ise ultra güçlü ve ultra dayanıklı Süper Çelik üretmişti.
Yeşil hidrojen, ideal olarak yenilenebilir kaynaklardan gelen elektrik kullanılarak suyun hidrojen ve oksijene ayrıştırılmasıyla yapılır. Deniz suyu, bol miktarda bulunduğu için özellikle cazip bir hammaddedir, ancak ciddi bir malzeme sorununu da beraberinde getirir: tuz, klorür iyonları, yan reaksiyonlar ve korozyon, elektrolizör bileşenlerine hızla zarar verebilir.
Doğrudan deniz suyu elektrolizi üzerine yapılan son incelemeler aynı temel zorluğu vurgulamaya devam ediyor. Teknoloji, hidrojene daha sürdürülebilir bir yol sağlayabilir, ancak korozyon, klorla ilgili yan reaksiyonlar, katalizör bozulması, çökeltiler ve sınırlı uzun vadeli dayanıklılık, ticari kullanımın önünde büyük engeller olmaya devam ediyor.
İşte SS-H2'nin önemli olabileceği nokta burası. HKÜ ekibi, tuzlu su elektrolizöründe yeni çeliğin, endüstriyel uygulamada tuzdan arındırılmış deniz suyu veya asitten hidrojen üretimi için kullanılan titanyum bazlı yapısal malzemelerle karşılaştırılabilir performans gösterdiğini buldu. Fark maliyette. Altın veya platin gibi değerli metallerle kaplanmış titanyum parçalar pahalıyken, paslanmaz çelik çok daha ekonomiktir.
10 megavatlık bir PEM elektroliz tank sistemi için, HKÜ raporu sırasında toplam maliyetin yaklaşık 17,8 milyon HK$ olduğu tahmin ediliyordu ve yapısal bileşenler bu giderin %53'ünü oluşturuyordu. Ekibin tahminine göre, bu pahalı yapısal malzemeleri SS-H2 ile değiştirmek, yapısal malzeme maliyetini yaklaşık 40 kat azaltabilir.
Paslanmaz çelik, kendini koruduğu için bir yüzyıldan fazla süredir aşındırıcı ortamlarda kullanılmaktadır. Anahtar bileşen kromdur. Krom (Cr) oksitlendiğinde, çeliği hasardan koruyan ince bir pasif film oluşturur.
Ancak bu tanıdık koruma sisteminin bir tavanı vardır. Geleneksel paslanmaz çelikte, krom bazlı koruyucu tabaka yüksek elektrik potansiyellerinde bozulabilir. Kararlı Cr2O3, çözünür Cr(VI) türlerine daha fazla oksitlenebilir ve yaklaşık ~1000 mV'de (doygun kalomel elektrot, SCE) transpasif korozyona neden olabilir. Bu, su oksidasyonu için gereken ~1600 mV'nin oldukça altındadır.
Deniz suyunda güçlü çukurlaşma direnciyle bilinen referans bir krom bazlı alaşım olan 254SMO süper paslanmaz çelik bile bu yüksek voltaj sınırıyla karşılaşır. Sıradan deniz ortamlarında iyi performans gösterebilir, ancak hidrojen üretiminin aşırı elektrokimyasal ortamı farklı bir zorluktur.
HKÜ ekibinin cevabı "sıralı çift pasivasyon" adı verilen bir stratejiydi. SS-H2, yalnızca olağan krom oksit bariyerine güvenmek yerine ikinci bir koruyucu tabaka oluşturur.
İlk tabaka, tanıdık Cr2O3 bazlı pasif filmdir. Ardından, yaklaşık ~720 mV'de, krom bazlı tabakanın üzerinde bir manganez bazlı tabaka oluşur. Bu ikinci kalkan, çeliği klorür içeren ortamlarda 1700 mV'ye kadar ultra yüksek bir potansiyelde korumaya yardımcı olur.
Buluşu bu kadar çarpıcı yapan da bu. Manganez genellikle paslanmaz çeliğin korozyon direncinin dostu olarak görülmez. Aslında, hakim görüş manganezin onu zayıflattığı yönündedir.
"Başlangıçta buna inanmadık çünkü..."