Zespół kierowany przez prof. Mingxina Huanga z Wydziału Mechaniki The University of Hong Kong opisał nowy materiał w pracy „A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation”, opublikowanej w czasopiśmie Materials Today.
Nowa stal została opracowana z myślą o elektrolizie wody, czyli procesie rozdzielania wody na wodór i tlen przy użyciu energii elektrycznej. W przypadku „zielonego wodoru” energia ta pochodzi ze źródeł odnawialnych. Jednym z największych problemów pozostaje jednak trwałość materiałów używanych w elektrolizerach, szczególnie jeśli instalacja ma pracować bezpośrednio na wodzie morskiej.
Dlaczego morska woda niszczy elektrolizery
Woda morska jest atrakcyjnym surowcem, ponieważ jest praktycznie niewyczerpalna. Jednocześnie zawiera chlorki i inne związki powodujące silną korozję elementów instalacji. Wysokie napięcia wymagane podczas elektrolizy dodatkowo przyspieszają degradację materiałów.
Klasyczna stal nierdzewna chroni się przed korozją dzięki cienkiej warstwie tlenku chromu. Problem polega na tym, że przy wysokim potencjale elektrochemicznym ta warstwa przestaje być stabilna. Według danych przedstawionych przez zespół HKU zjawisko tzw. korozji transpasywnej pojawia się w okolicach 1000 mV, podczas gdy reakcja utleniania wody wymaga około 1600 mV. To właśnie dlatego przemysłowe elektrolizery często wykorzystują drogie komponenty tytanowe pokrywane metalami szlachetnymi, takimi jak platyna czy złoto.
Nowy materiał działa inaczej niż tradycyjna stal nierdzewna. Zespół HKU zastosował mechanizm nazwany „sequential dual-passivation”, czyli sekwencyjną podwójną pasywacją. Pierwszą warstwę ochronną nadal stanowi klasyczna warstwa bazująca na tlenku chromu. Jednak przy wyższym potencjale pojawia się druga warstwa ochronna oparta na manganie. To właśnie ona pozwala utrzymać odporność materiału aż do około 1700 mV w środowisku zawierającym chlorki.
To odkrycie było zaskoczeniem nawet dla samych badaczy. W metalurgii mangan zwykle nie jest kojarzony z poprawą odporności korozyjnej stali nierdzewnej. Pierwszy autor publikacji, dr Kaiping Yu, przyznał, że początkowo zespół nie dowierzał wynikom, ponieważ były sprzeczne z dominującą wiedzą dotyczącą korozji stali.
Nawet 40-krotnie niższy koszt materiałów konstrukcyjnych
Największą potencjalną zaletą SS-H2 może okazać się cena. Według szacunków przedstawionych przez HKU w 10-megawatowym systemie elektrolizy PEM koszty elementów konstrukcyjnych mogą stanowić nawet 53 proc. całkowitego kosztu instalacji. Zastąpienie drogich komponentów tytanowych nową stalą mogłoby obniżyć koszt materiałów konstrukcyjnych nawet około 40 razy.
Badacze podkreślają jednak, że technologia nie jest jeszcze gotowym rozwiązaniem do natychmiastowego wdrożenia. Konieczne pozostaje opracowanie przemysłowych komponentów, takich jak siatki czy pianki dla elektrolizerów. Zespół poinformował jednak, że we współpracy z fabryką w Chinach kontynentalnych wyprodukowano już tony drutu bazującego na SS-H2. Część patentów została również zatwierdzona.
Na tle wielu innych projektów SS-H2 wyróżnia się tym, że nie opiera się wyłącznie na dodatkowych powłokach ochronnych czy katalizatorach. Zmienia samo zachowanie stali nierdzewnej i sposób, w jaki materiał tworzy warstwę ochronną. Jeżeli rozwiązanie sprawdzi się w wieloletniej pracy przemysłowej, może stać się jednym z elementów obniżających koszt produkcji zielonego wodoru na dużą skalę.
0 komentarzy