Команда на чолі з професором Мінсінь Хуаном з кафедри машинобудування Університету Гонконгу досягла значного прогресу в галузі нержавіючої сталі. Ця недавня інновація зосереджена на розробці нержавіючої сталі, призначеної для водню, відомої як SS-H2.
Це досягнення є частиною поточного проекту професора Хуанга «Суперсталь», який раніше досяг значних успіхів у створенні нержавіючої сталі для захисту від COVID-19 у 2021 році та розробці надміцної та надміцної суперсталі у 2017 та 2020 роках.
Нова сталь, розроблена командою, демонструє високу корозійну стійкість, що дозволяє її потенційне застосування для виробництва зеленого водню з морської води, де нове стійке рішення все ще знаходиться в розробці.
Продуктивність нової сталі в електролізері з солоною водою можна порівняти з поточною промисловою практикою, яка використовує титан як структурні частини для виробництва водню з опрісненої морської води або кислоти, тоді як вартість нової сталі набагато дешевша.
Відкриття було опубліковано в журналі Materials Today. Дослідницькі досягнення наразі подають заявки на патенти в кількох країнах, і дві з них уже отримали дозвіл.
Революційна стійкість до корозії
З моменту свого відкриття століття тому нержавіюча сталь завжди була важливим матеріалом, який широко використовувався в корозійних середовищах. Хром є важливим елементом у встановленні корозійної стійкості нержавіючої сталі. Пасивна плівка утворюється шляхом окислення хрому (Cr) і захищає нержавіючу сталь у природному середовищі. На жаль, цей звичайний механізм одноразової пасивації на основі Cr зупинив подальший розвиток нержавіючої сталі. Завдяки подальшому окисленню стабільного Cr2O3 до розчинних форм Cr(VI), транспасивна корозія неминуче виникає у звичайній нержавіючій сталі при ~1000 мВ (насичений каломельний електрод, SCE), що нижче потенціалу, необхідного для окислення води при ~ 1600 мВ.
Супернержавіюча сталь 254SMO, наприклад, є еталоном серед антикорозійних сплавів на основі Cr і має чудову стійкість до точкової корекції в морській воді; однак транспасивна корозія обмежує її застосування при вищих потенціалах.
Використовуючи стратегію «послідовної подвійної пасивації», дослідницька група професора Хуанга розробила новий SS-H2 із чудовою стійкістю до корозії. На додаток до одного пасивного шару на основі Cr2O3, вторинний шар на основі Mn утворюється на попередньому шарі на основі Cr при ~720 мВ. Механізм послідовної подвійної пасивації запобігає корозії SS-H2 у хлоридних середовищах до надвисокого потенціалу 1700 мВ. SS-H2 демонструє фундаментальний прорив у порівнянні зі звичайною нержавіючою сталлю.
Несподівані відкриття та потенційні застосування
«Спочатку ми в це не вірили, оскільки панувала думка, що Mn погіршує стійкість нержавіючої сталі до корозії. Пасивація на основі марганцю є протиінтуїтивним відкриттям, яке неможливо пояснити сучасними знаннями в науці про корозію. Однак коли були представлені численні результати на атомному рівні, ми переконалися. Окрім здивування, ми не можемо дочекатися, щоб використати цей механізм», – сказав доктор Кайпін Ю, перший автор статті, доктором філософії якого керує професор Хуан.
Від першого відкриття інноваційної нержавіючої сталі до досягнення прориву в науковому розумінні та, зрештою, підготовки до офіційної публікації та, сподіваємось, її промислового застосування, команда присвятила майже шість років роботі.
«На відміну від нинішньої корозійної спільноти, яка в основному зосереджується на стійкості до природних потенціалів, ми спеціалізуємося на розробці стійких до високого потенціалу сплавів. Наша стратегія подолала фундаментальні обмеження традиційної нержавіючої сталі та створила парадигму для розробки сплавів , придатних для високих потенціалів. Цей прорив є захоплюючим і приносить нові програми». Професор Хуан сказав.
Зараз для електролізерів води в опрісненій морській воді або кислотних розчинах для структурних компонентів потрібен дорогий Ti з покриттям Au або Pt. Наприклад, загальна вартість 10-мегаватної системи резервуарів для електролізу PEM на поточному етапі становить приблизно 17,8 мільйона гонконгських доларів, а структурні компоненти становлять до 53% загальних витрат. Прорив, здійснений командою професора Хуанга, дозволяє замінити ці дорогі конструктивні компоненти більш економічною сталлю. За оцінками, використання SS-H2, як очікується, скоротить вартість конструкційного матеріалу приблизно в 40 разів, демонструючи великий передовий досвід промислового застосування.
«Від експериментальних матеріалів до реальних продуктів, таких як сітки та піни, для електролізерів води, все ще є складні завдання. Зараз ми зробили великий крок до індустріалізації. Тонни дроту на основі SS-H2 були виготовлені у співпраці з фабрикою з материка. Ми просуваємося вперед у застосуванні більш економічного SS-H 2 у виробництві водню з відновлюваних джерел», – додав професор Хуан.