Вчені розробляють нову ультранержавіючу сталь для виробництва водню

Дослідницький проєкт під керівництвом професора Мінсіня Хуанга з кафедри машинобудування Університету Гонконгу (HKU) зробив прорив у звичайній нержавіючій сталі та розробці нержавіючої сталі для водню (SS-H2). Це знаменує собою ще одне велике досягнення команди професора Хуанга в її проекті «Суперсталь» після розробки нержавіючої сталі для захисту від COVID-19 у 2021 році та надміцної та надміцної суперсталі у 2017 та 2020 роках відповідно.

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 Materials Today у статті під назвою «Стратегія послідовної подвійної пасивації для розробки нержавіючої сталі, яка використовується над окисленням водою». Дослідження наразі подають заявки на патенти в багатьох країнах, і дві з них уже отримали дозвіл.

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.

«Спочатку ми не вірили в це, тому що панувала думка, що марганець погіршує корозійну стійкість нержавіючої сталі. Пасивація на основі марганцю є протиінтуїтивним відкриттям, яке неможливо пояснити сучасними знаннями в науці про корозію. Однак, коли численні атомні Результати на високому рівні були представлені, ми були переконані. Крім того, що ми здивовані, ми не можемо чекати, щоб використовувати механізм», — сказав доктор Кайпін Ю, перший автор статті, доктор філософії якого. під керівництвом професора Хуанга.

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 за природних потенціалів, ми спеціалізуємося на розробці стійких до високих потенціалів 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.

В цей час 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. Наразі ми зробили великий крок до індустріалізації. Тонни дроту на основі SS-H2 були виготовлені у співпраці із фабрикою з материка. Ми просуваємося вперед у застосуванні більш економічного SS-H2 у виробництві водню з відновлюваних джерел», – додав професор Хуан. Джерело