Учени разработиха нова изумителна „суперстомана“ за зелен водород

Екип от учени от Университета в Хонконг (HKU) разработи нов вид неръждаема стомана, която би могла да преодолее едно от основните ограничения на конвенционалната неръждаема стомана и потенциално да намали разходите за производството на зелен водород. Под ръководството на професор Минсин Хуанг от Катедрата по машинно инженерство на HKU изследователите създадоха неръждаема стомана за водород (SS-H2) – материал, проектиран да издържа на силна корозия при условия, на които обикновената неръждаема стомана не може да устои.

Това постижение е най-новият резултат от проекта „Супер стомана“ на Хуанг. Преди това неговият екип разработи неръждаема стомана със свойства срещу COVID през 2021 година, както и изключително здрави и издръжливи варианти на „Супер стомана“ през 2017 и 2020 година.

Нова „суперстомана“ за зелен водород

SS-H2 е особено обещаваща поради своята устойчивост на корозия. Това свойство би могло да я направи полезна в системи, които произвеждат зелен водород чрез използване на морска вода – област, в която изследователите все още търсят практични и устойчиви технологии. Водородът може да се произвежда чрез електролиза – процес, при който се използва електричество за разлагане на водата на водород и кислород. Когато електричеството произхожда от възобновяеми енергийни източници, полученото гориво често се нарича „зелен водород“. Оборудването, използвано за електролиза обаче трябва да издържа на тежки химически и електрически условия, особено когато в процеса участва сол.

В електролизер за солена вода новата стомана показа характеристики, сравними с тези на титановите конструктивни елементи, които понастоящем се използват за производството на водород от обезсолена морска вода или киселинни разтвори. Основната разлика е в цената. SS-H2 е значително по-евтина. Изследователите са подали заявки за патенти, обхващащи технологиятa в няколко държави, като два патента вече са одобрени.

Защо конвенционалната неръждаема стомана има ограничения

Неръждаемата стомана се използва от около век и се е превърнала в един от най-важните материали за приложения, при които корозията е проблем. Голяма част от нейната издръжливост се дължи на хрома. Когато хромът (Cr) в стоманата реагира с околната среда, той образува тънък защитен слой върху повърхността. Този пасивен слой помага да се предотврати по-нататъшната корозия на метала под него. При конвенционалните неръждаеми стомани обаче тази защита има важно ограничение. Защитният хромов оксид, Cr₂O₃, може да претърпи по-нататъшно окисляване и да образува разтворими съединения на Cr(VI). Щом това се случи, повърхността може да навлезе в състояние на деградация, известно като транспасивна корозия.

При обикновената неръждаема стомана този процес може да настъпи при потенциал от около ~1000 mV (наситен каломелов електрод, SCE). Окисляването на водата (ключова реакция по време на електролизата) изисква значително по-висок потенциал от около ~1600 mV. Това несъответствие е попречило на ефективното използване на обикновената неръждаема стомана в някои електрохимични приложения с високо напрежение.

Дори супернеръждаемата стомана 254SMO, считана за еталонна хромова сплав с отлична устойчивост на корозия в морска вода, се сблъсква с този проблем. Нейната устойчивост на корозия намалява, когато електрическият потенциал стане достатъчно висок.

Изненадващ втори защитен слой

Екипът на Хуанг намери начин да заобиколи това дългогодишно ограничение, като използва това, което изследователите наричат „последователна двойна пасивация“. Вместо да разчита само на традиционния защитен слой от хромов оксид, SS-H2 образува върху него още един защитен слой. Този втори слой е на основата на манган и започва да се образува при потенциал от около 720 mV. Заедно двата слоя позволяват на стоманата да устои на корозия в среди, съдържащи хлориди, при потенциали, достигащи 1700 mV. Хлоридите, които са в изобилие в морската вода, са особено агресивни спрямо много метали и могат да причинят локализирана корозия. Достигането на 1700 mV е важно, защото извежда материала отвъд потенциала, необходим за окисляване на водата. Затова изследователите разглеждат SS-H2 като фундаментален напредък спрямо конвенционалната неръждаема стомана.

Това, което прави резултата особено впечатляващ, е ролята, която играе манганът. Традиционно манганът се счита за вреден за корозионната устойчивост на неръждаемата стомана.

Възможно 40-кратно намаление на разходите за материали

Икономическите последици биха могли да бъдат значителни. Електролизерите, работещи с обезсолена морска вода или киселинни разтвори, понастоящем изискват скъпи титанови компоненти, покрити със злато или платина. Тези материали могат да съставляват голяма част от разходите за една електролизна система. Според изследователите, система с PEM електролизен резервоар с мощност 10 мегавата понастоящем струва приблизително 17,8 милиона хонконгски долара. PEM означава електролиза с протонно-обменна мембрана – технология, която използва електрически задвижвана мембранна система за разделяне на водата на водород и кислород.

Конструктивните компоненти могат да съставляват до 53% от общата стойност на системата. Изследователите смятат, че SS-H2 би могъл да замести някои от тези скъпи компоненти с много по-икономична стомана. Според техните оценки използването на новия материал би могло да намали разходите за конструктивни материали около 40 пъти, което му придава значителен потенциал за промишлено производство на водород.

Преход от лабораторията към промишлеността

Преди материалът да може да бъде широко внедрен, предстоят важни инженерни предизвикателства. Електролизерите изискват компоненти в практични форми, като метални мрежи и пяна, така че само лабораторните резултати не са достатъчни. Въпреки това изследователите започнаха да насочват SS-H2 към производство в голям мащаб.

Комбинацията от висока устойчивост на корозия и значително по-ниски разходи за материали би могла да направи SS-H2 особено ценен, ако той се представи надеждно в търговските електролизери. Ако технологията успее да направи прехода от експериментална стомана към промишлени компоненти, тя би могла да предостави по-евтин начин за производство на зелен водород от възобновяема енергия и морска вода.