“Δεν μπορεί να εξηγηθεί” – ο νέος εξαιρετικά ανοξείδωτος χάλυβας έχει μπερδέψει τους ερευνητές

Με επικεφαλής τον καθηγητή Mingxin Huang του Τμήματος Μηχανολόγων Μηχανικών του HKU, η ομάδα ανέπτυξε έναν ειδικό ανοξείδωτο χάλυβα για την παραγωγή υδρογόνου (SS-H₂) το υλικό αντιστέκεται στη διάβρωση υπό συνθήκες που κανονικά θα υπερέβαιναν τα όριά του για τον ανοξείδωτο χάλυβα, καθιστώντας το ένα πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για παραγωγή υδρογόνου από θαλασσινό νερό και άλλα σκληρά περιβάλλοντα ηλεκτρολύτη.

Ευρήματα, αναφορές υλικά σήμερα Η έρευνα, “A Sequential Dual-Passivation Technique for Designing Stainless Steel Used On Water Oxidation”, βασίζεται στο μακροχρόνιο έργο “Super Steel” του Huang. Το ίδιο ερευνητικό πρόγραμμα παρήγαγε προηγουμένως ανοξείδωτο χάλυβα anti-COVID-19 το 2021 και εξαιρετικά ισχυρό και εξαιρετικά σκληρό σούπερ χάλυβα το 2017 και το 2020.

Μια φθηνή διαδρομή προς το πράσινο υδρογόνο

Το πράσινο υδρογόνο παράγεται με τη χρήση ηλεκτρικής ενέργειας, ιδανικά από ανανεώσιμες πηγές, για τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Το θαλασσινό νερό είναι μια ιδιαίτερα δελεαστική πρώτη ύλη επειδή είναι άφθονο, αλλά φέρνει ένα σοβαρό πρόβλημα υλικού: τα άλατα, τα ιόντα χλωρίου, οι πλευρικές αντιδράσεις και η διάβρωση μπορούν γρήγορα να καταστρέψουν τα εξαρτήματα του ηλεκτρολύτη.

Οι πρόσφατες ανασκοπήσεις της άμεσης ηλεκτρόλυσης θαλασσινού νερού συνεχίζουν να υπογραμμίζουν τις ίδιες βασικές προκλήσεις. Η τεχνολογία μπορεί να παρέχει μια πιο βιώσιμη οδό προς το υδρογόνο, αλλά η διάβρωση, οι παρενέργειες που σχετίζονται με το χλώριο, η υποβάθμιση του καταλύτη, η υποβάθμιση και η περιορισμένη μακροπρόθεσμη βιωσιμότητα αποτελούν σημαντικά εμπόδια στην εμπορική χρήση.

Εκεί SS-H₂ μπορεί να έχει σημασία. Στον ηλεκτρολύτη αλμυρού νερού, η ομάδα HKU διαπίστωσε ότι ο νέος χάλυβας θα μπορούσε να έχει παρόμοια απόδοση με τα δομικά υλικά με βάση το τιτάνιο που χρησιμοποιούνται στην τρέχουσα βιομηχανική πρακτική για την παραγωγή υδρογόνου από καθαρό θαλασσινό νερό ή οξύ. Η διαφορά είναι το κόστος. Τα εξαρτήματα τιτανίου επικαλυμμένα με πολύτιμα μέταλλα όπως ο χρυσός ή η πλατίνα είναι ακριβά, ενώ ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι πολύ πιο οικονομικός.

Για ένα σύστημα δεξαμενής ηλεκτρόλυσης PEM 10 MW, το συνολικό κόστος κατά τη στιγμή της έκθεσης HKU υπολογίστηκε σε περίπου 17,8 εκατομμύρια δολάρια HK, με τα δομικά στοιχεία να αποτελούν το 53% αυτού του κόστους. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις της ομάδας, αυτά τα ακριβά δομικά υλικά αντικαθίστανται με SS-H₂ Μπορεί να μειώσει το κόστος του δομικού υλικού κατά περίπου 40 φορές.

Γιατί ο συνηθισμένος ανοξείδωτος χάλυβας αποτυγχάνει

Ο ανοξείδωτος χάλυβας χρησιμοποιείται σε διαβρωτικά περιβάλλοντα για περισσότερο από έναν αιώνα επειδή προστατεύει τον εαυτό του. Το κύριο στοιχείο είναι το χρώμιο. Όταν το χρώμιο (Cr) οξειδώνεται, σχηματίζει ένα λεπτό παθητικό φιλμ που προστατεύει τον χάλυβα από ζημιά.

Αλλά αυτός ο γνωστός μηχανισμός ασφαλείας έχει ενσωματωμένη οροφή. Στο συμβατικό ανοξείδωτο χάλυβα, το προστατευτικό στρώμα με βάση το χρώμιο μπορεί να σπάσει σε υψηλά ηλεκτρικά δυναμικά. Stable Cr₂Και₃ μπορεί να οξειδωθεί περαιτέρω σε διαλυτά είδη Cr(VI), με αποτέλεσμα μια διαπαθητική διάσπαση περίπου ~1000 mV (κορεσμένο ηλεκτρόδιο καλομέλας, SCE). Αυτό είναι κάτω από τα ~1600 mV που απαιτούνται για την οξείδωση του νερού.

Ακόμη και ο σούπερ ανοξείδωτος χάλυβας 254SMO, ένα κράμα αναφοράς με βάση το χρώμιο, γνωστό για την ισχυρή του αντίσταση στα σκασίματα στο θαλασσινό νερό, λειτουργεί σε αυτό το εύρος υψηλής τάσης. Μπορεί να έχει καλή απόδοση σε τυπικά θαλάσσια περιβάλλοντα, αλλά το ακραίο ηλεκτροχημικό περιβάλλον παραγωγής υδρογόνου είναι μια διαφορετική πρόκληση.

Χάλυβας που σχηματίζει μια δεύτερη ασπίδα

Η απάντηση της ομάδας HKU ήταν μια τεχνική που ονομάζεται «διαδοχική διπλή παθητικοποίηση». Αντί να βασίζεστε αποκλειστικά στο συνηθισμένο φράγμα οξειδίου του χρωμίου, το SS-H₂ Σχηματίζει ένα δεύτερο προστατευτικό στρώμα.

Το πρώτο στρώμα είναι γνωστό ως Cr₂Και₃ βασισμένη σε παθητική ταινία. Στη συνέχεια, σε περίπου ~ 720 mV, ένα στρώμα με βάση το μαγγάνιο σχηματίζεται πάνω από το στρώμα με βάση το χρώμιο. Αυτή η δεύτερη ασπίδα βοηθά στην προστασία του χάλυβα σε περιβάλλοντα με χλωριούχα έως πολύ υψηλά δυναμικά 1700 mV.

Αυτό είναι που κάνει την αναζήτηση τόσο ενδιαφέρουσα. Το μαγγάνιο δεν θεωρείται γενικά ως αντίσταση στη διάβρωση φίλος του ανοξείδωτου χάλυβα. Μάλιστα, η άποψη που επικρατεί είναι ότι το μαγγάνιο το αποδυναμώνει.

“Αρχικά, δεν το πιστέψαμε γιατί η συμβατική άποψη είναι ότι το Mn αποδυναμώνει την αντίσταση στη διάβρωση του ανοξείδωτου χάλυβα. Η παθητικοποίηση με βάση το Mn είναι μια αντιδιαισθητική ανακάλυψη, η οποία δεν μπορεί να εξηγηθεί από την τρέχουσα γνώση της επιστήμης της διάβρωσης. Ωστόσο, όταν παρουσιάστηκαν πολλά αποτελέσματα ατομικού επιπέδου, εκπλαγήκαμε. Είπε ο πρώτος συγγραφέας του άρθρου Dr. Καθηγητής Huang.

Μια εξαετής ώθηση από την έκπληξη στην εφαρμογή

Ο δρόμος προς την αποκάλυψη από την πρώτη παρατήρηση δεν ήταν γρήγορος. Η ομάδα πέρασε σχεδόν έξι χρόνια από την αρχική ανακάλυψη του ασυνήθιστου ανοξείδωτου χάλυβα έως την εις βάθος επιστημονική ερμηνεία, στη συνέχεια στη δημοσίευση και την πιθανή βιομηχανική χρήση.

“Σε αντίθεση με την τρέχουσα κοινότητα διάβρωσης, η οποία εστιάζει κυρίως στην αντοχή σε φυσικά δυναμικά, ειδικευόμαστε στην ανάπτυξη κραμάτων υψηλής αντοχής. Η τεχνική μας ξεπερνά τους θεμελιώδεις περιορισμούς των συμβατικών ανοξείδωτων χάλυβων και δημιουργεί προηγούμενο για την ανάπτυξη κραμάτων που εφαρμόζονται σε υψηλές δυνατότητες.”

Η εργασία έχει προχωρήσει πέρα ​​από το εργαστήριο. Ερευνητικά επιτεύγματα έχουν υποβληθεί για διπλώματα ευρεσιτεχνίας σε πολλές χώρες και δύο διπλώματα ευρεσιτεχνίας έχουν ήδη χορηγηθεί τη στιγμή της ανακοίνωσης του HKU. Η ομάδα ανέφερε επίσης ότι τόνοι SS-H₂ Το καλώδιο κατασκευάστηκε σε ένα εργοστάσιο με έδρα την ηπειρωτική Κίνα.

“Από πειραματικά υλικά μέχρι πραγματικά προϊόντα, όπως πλέγμα και αφρός, για ηλεκτρολύτες νερού, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλητικές εργασίες. Επί του παρόντος, έχουμε κάνει ένα μεγάλο βήμα προς την εκβιομηχάνιση. Τόνοι SS-H₂-καλώδιο βάσης παράγεται σε συνεργασία με εργοστάσιο από την ηπειρωτική χώρα. Προχωράμε προς μια πιο οικονομική εφαρμογή SS-H₂ στην παραγωγή υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές», πρόσθεσε ο καθηγητής Huang.

Γιατί ο χρόνος εξακολουθεί να έχει σημασία

Αν και SS-H₂ Καθώς η μελέτη δημοσιεύτηκε το 2023, το βασικό της θέμα έγινε πιο σχετικό. Η νέα έρευνα για την ηλεκτρόλυση θαλασσινού νερού συνεχίζει να επικεντρώνεται στα ίδια εμπόδια: ανθεκτικά στη διάβρωση υλικά, ηλεκτρόδια μεγάλης διάρκειας, καταστολή χλωρίου και σχεδιασμός συστήματος που μπορεί να επιβιώσει σε πραγματικό θαλασσινό νερό και όχι σε ιδανικές εργαστηριακές λύσεις. Α 2025 Υλικό ανασκόπησης της φύσης Κριτική περιέγραψε την άμεση ηλεκτρόλυση του θαλασσινού νερού ως πολλά υποσχόμενη αλλά εξακολουθεί να παρεμποδίζεται από τη διάβρωση, τις παρενέργειες, την υποβάθμιση των μετάλλων και την περιορισμένη διάρκεια ζωής.

άλλος πρόσφατη εργασία εξερεύνησε ηλεκτρόδια με βάση ανοξείδωτο χάλυβα με επιστρώσεις με βάση NiFe και προστατευτικά στρώματα καταλύτη με ατομικά συμπλέγματα Pt για τη βελτίωση της σταθερότητας στο φυσικό θαλασσινό νερό. Οι ερευνητές ανέφεραν επίσης τεχνικές ανόδου ανθεκτικές στη διάβρωση που κατασκευάζονται σε υποστρώματα από ανοξείδωτο χάλυβα, δείχνοντας ότι ο ανοξείδωτος χάλυβας αποτελεί σημαντικό επίκεντρο στις προσπάθειες να γίνει πιο πρακτική η ηλεκτρόλυση του θαλασσινού νερού.

Αυτή η νέα έρευνα δεν αντικαθιστά το SS-H₂ Η ανακάλυψη, με τη σειρά της, ενισχύει γιατί η προσέγγιση της ομάδας HKU είναι σημαντική. Το πεδίο εξακολουθεί να αναζητά υλικά που μπορούν να επιβιώσουν στο τιμωρητικό μείγμα της χημείας του αλμυρού νερού, της υψηλής τάσης και των βιομηχανικών λειτουργικών απαιτήσεων. SS-H₂ Ξεχωρίζει γιατί δεν επιτίθεται μόνο στο πρόβλημα με μια επίστρωση ή καταλύτη, αλλά μια νέα τεχνική σχεδίασης κράματος που αλλάζει τον τρόπο με τον οποίο ο ανοξείδωτος χάλυβας προστατεύεται.

Μια σημαντική ανακάλυψη χάλυβα με δυναμικό καθαρής ενέργειας

SS-H₂ Δεν είναι ακόμα μια λύση plug and play για την οικονομία υδρογόνου. Η ομάδα αναγνώρισε ότι η μετατροπή των πειραματικών υλικών σε πραγματικά προϊόντα ηλεκτρολύτη, συμπεριλαμβανομένου του πλέγματος και του αφρού, συνεπαγόταν ακόμα δύσκολη εργασία μηχανικής.

Ωστόσο, η υπόσχεση είναι ξεκάθαρη. Ένας ανοξείδωτος χάλυβας που μπορεί να αντέξει τις συνθήκες θαλασσινού νερού υψηλής τάσης, ενώ αντικαθιστά ακριβά εξαρτήματα με βάση το τιτάνιο, θα μπορούσε να κάνει την παραγωγή υδρογόνου φθηνότερη, πιο επεκτάσιμη και ευκολότερο να συνδυαστεί με ανανεώσιμες πηγές ενέργειας.

Για έναν τομέα όπου το κόστος και η ανθεκτικότητα συχνά αποφασίζουν εάν μια τεχνολογία εγκαταλείπει το εργαστήριο, ένας χάλυβας που δημιουργεί τη δική του δεύτερη ασπίδα θα μπορούσε να είναι κάτι περισσότερο από ένα θαύμα της επιστήμης των υλικών. Αυτό θα μπορούσε να γίνει ένα πραγματικό βήμα προς καθαρότερο υδρογόνο σε βιομηχανική κλίμακα.