Naukowcy przedstawiają rewolucyjną stal SS-H2

Naukowcy opracowali przełomową stal nierdzewną SS-H2, która zapewnia doskonałą odporność na korozję i niższe koszty w porównaniu z tytanem.

Ta innowacja może znacznie obniżyć koszty materiałów w elektrolizerach wody, torując drogę tańszej produkcji wodoru ze źródeł odnawialnych. Zespół kierowany przez profesora Mingxina Huanga z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu w Hongkongu osiągnął znaczny postęp w dziedzinie stali nierdzewnej. Ta ostatnia innowacja koncentruje się na rozwoju stali nierdzewnej przeznaczonej do zastosowań wodorowych, znanej jako SS-H2.

Zobacz też: W poszukiwaniu nici mocniejszej od stali i wytrzymalszej od kevlaru

To osiągnięcie jest częścią trwającego projektu „Super Steel” profesora Huanga, w ramach którego wcześniej osiągnięto znaczące kamienie milowe dzięki stworzeniu stali nierdzewnej odpornej na CoVID-19 w 2021 roku oraz opracowaniu ultrawytrzymałej stali Super Steel w latach 2017 i 2020.

Nowa stal opracowana przez zespół charakteryzuje się wysoką odpornością na korozję, co umożliwia jej potencjalne zastosowanie do produkcji ekologicznego wodoru z wody morskiej, gdzie wciąż opracowywane jest nowatorskie, zrównoważone rozwiązanie.

Wydajność nowej stali w elektrolizerze słonej wody jest porównywalna z obecną praktyką przemysłową wykorzystującą tytan jako elementy konstrukcyjne do produkcji wodoru z odsolonej wody morskiej lub kwasu, podczas gdy koszt nowej stali jest znacznie niższy.

Odkrycie opublikowano w czasopiśmie Materials Today. Osiągnięcia badawcze są obecnie zgłaszane do opatentowania w wielu krajach, a dwa z nich uzyskały już autoryzację.

Rewolucyjna odporność na korozję

Od czasu odkrycia sto lat temu stal nierdzewna zawsze była ważnym materiałem szeroko stosowanym w środowiskach korozyjnych. Chrom jest pierwiastkiem niezbędnym do ustalenia odporności stali nierdzewnej na korozję. Folia pasywna powstaje w wyniku utleniania chromu (Cr) i chroni stal nierdzewną w środowisku naturalnym. Niestety, ten konwencjonalny mechanizm pojedynczej pasywacji oparty na Cr zatrzymał dalszy rozwój stali nierdzewnej. Ze względu na dalsze utlenianie stabilnego Cr₂O₃ do rozpuszczalnych form Cr(VI), korozja transpasywna nieuchronnie zachodzi w konwencjonalnej stali nierdzewnej przy ~1000 mV (nasycona elektroda kalomelowa, SCE), czyli poniżej potencjału wymaganego do utleniania wody przy ~1600 mV.

Na przykład supernierdzewna stal 254SMO stanowi punkt odniesienia wśród stopów antykorozyjnych na bazie chromu i charakteryzuje się doskonałą odpornością na wżery w wodzie morskiej — jednakże korozja transpasywna ogranicza jej zastosowanie przy wyższych potencjałach.

Stosując strategię „sekwencyjnej podwójnej pasywacji”, zespół badawczy profesora Huanga opracował nowatorski SS-H2 o doskonałej odporności na korozję. Oprócz pojedynczej warstwy pasywnej na bazie Cr₂O₃, na poprzedzającej warstwie na bazie Cr tworzy się wtórna warstwa na bazie Mn przy ~720 mV. Sekwencyjny mechanizm podwójnej pasywacji zapobiega korozji SS-H2 w środowisku chlorkowym do bardzo wysokiego potencjału 1700 mV. SS-H2 stanowi zasadniczy przełom w stosunku do konwencjonalnej stali nierdzewnej.

Nieoczekiwane odkrycie i potencjalne zastosowania

Początkowo nie wierzyliśmy w to, ponieważ dominował pogląd, że Mn pogarsza odporność stali nierdzewnej na korozję. Pasywacja na bazie manganu jest odkryciem sprzecznym z intuicją, którego nie można wytłumaczyć obecną wiedzą z zakresu korozji. Jednak, gdy zaprezentowano liczne wyniki na poziomie atomowym, przekonaliśmy się. Poza tym, że jesteśmy zaskoczeni, nie możemy się doczekać wykorzystania mechanizmu.

– powiedział dr Kaiping Yu, pierwszy autor artykułu, którego doktorat nadzorował profesor Huang

Od początkowego odkrycia innowacyjnej stali nierdzewnej, poprzez osiągnięcie przełomu w rozumieniu naukowym, aż do ostatecznych przygotowań do oficjalnej publikacji i, miejmy nadzieję, jej zastosowania przemysłowego, zespół poświęcił na prace prawie sześć lat.

W odróżnieniu od obecnego środowiska zajmującego się korozją, które skupia się głównie na odporności na potencjały naturalne, specjalizujemy się w opracowywaniu stopów odpornych na wysoki potencjał. Nasza strategia przezwyciężyła podstawowe ograniczenia konwencjonalnej stali nierdzewnej i ustanowiła paradygmat rozwoju stopów mających zastosowanie przy wysokich potencjałach. Ten przełom jest ekscytujący i przynosi nowe zastosowania.

– powiedział profesor Huang

Obecnie w przypadku elektrolizerów wodnych w odsolonej wodzie morskiej lub roztworach kwasów na elementy konstrukcyjne wymagane są drogie tytanowe (Ti) powlekane srebrem (Au) lub platyną (Pt). Na przykład całkowity koszt 10-megawatowego systemu zbiorników elektrolizy PEM na obecnym etapie wynosi około 17,8 mln HKD, przy czym elementy konstrukcyjne stanowią do 53% całkowitych kosztów. Przełom, jakiego dokonał zespół profesora Huanga, umożliwia zastąpienie tych drogich elementów konstrukcyjnych bardziej ekonomiczną stalą. Według szacunków, oczekuje się, że zastosowanie SS-H2 obniży koszty materiałów konstrukcyjnych około 40-krotnie, co stanowi doskonałą bazę zastosowań przemysłowych.

Od materiałów eksperymentalnych po rzeczywiste produkty, takie jak siatki i pianki, do elektrolizerów wody – wciąż stoją przed nami trudne zadania. Obecnie zrobiliśmy duży krok w kierunku industrializacji. We współpracy z fabryką z kontynentu wyprodukowano tony drutu na bazie SS-H2. Posuwamy się do przodu w stosowaniu bardziej ekonomicznego SS-H2 do produkcji wodoru ze źródeł odnawialnych.

– dodał profesor Huang

Odniesienie: A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation – Kaiping Yu, Shihui Feng, Chao Ding, Meng Gu, Peng Yu and Mingxin Huang, 19 sierpnia 2023, Materials Today. DOI: 10.1016/j.mattod.2023.07.022

źródło: Materials Today | SciTechDaily