A Hongkongi Egyetem (HKU) rozsdamentes acél terén elért áttörése segíthet megoldani a zöld hidrogénnel kapcsolatos egyik legnagyobb problémát: hogyan lehet olyan elektrolizátorokat építeni, amelyek elég szívósak a tengervízhez, mégis elég olcsóak a nagyméretű tiszta energiához.

A HKU Gépészmérnöki Tanszékének Mingxin Huang professzora által vezetett csapata olyan speciális rozsdamentes acélt fejlesztett ki a hidrogéntermeléshez (SS-H2), amelynek anyaga ellenáll a korróziónak még olyan körülmények között is, amik általában túllépik a rozsdamentes acél tűrőképességének határait. Ennek folytán most ígéretes jelöltté vált a hidrogén tengervízből és más elektrolizáló összetevőkből történő előállítására.

A felfedezés, amelyről a Materials Today folyóiratban a „Szekvenciális kettős passzivációs stratégia a vízoxidáció felett használt rozsdamentes acél tervezéséhez” című tanulmányban számoltak be, idézi a ScienceDaily. Huang régóta futó „Super Steel” projektjére épül. Ugyanebben a kutatási programban korábban, 2021-ben rozsdamentes acélt, valamint 2017-ben és 2020-ban ultra erős és ultra szívós szuperacélt is előállítottak a kutatók.

A zöld hidrogént elektromos árammal, ideális esetben megújuló forrásokból származó árammal állítják elő, amely hidrogénné és oxigénné bontja a vizet. A tengervíz különösen csábító alapanyag, mivel bőségesen rendelkezésre áll – viszont komoly anyagproblémát okoz, hiszen a só, a kloridionok, valamint a mellékreakciók és a korrózió gyorsan károsíthatja az elektrolizátor alkatrészeit. A közvetlen tengervíz-elektrolízissel kapcsolatos legújabb áttekintések továbbra is ugyanazt a fő kihívást emelik ki: ez a technológia fenntarthatóbb utat biztosíthat a hidrogén előállításához, de a korrózió, a klórral kapcsolatos mellékreakciók, a katalizátor lebomlása, a kicsapódások és a korlátozott hosszú távú tartósság továbbra is a kereskedelmi célú felhasználás fő akadályai.

És pontosan itt jön képbe a SS-H2. A HKU csapata megállapította, hogy az új acél teljesítménye sósvízi elektrolizátor használatával hasonlít a jelenlegi ipari gyakorlatban sótalanított tengervízből vagy savból történő hidrogéntermeléshez használt titán alapú szerkezeti anyagokhoz. A fontos különbség a költség: a nemesfémekkel, például arannyal vagy platinával bevont titán alkatrészek drágák, míg a rozsdamentes acél sokkal gazdaságosabb. Csak egy példa: rgy 10 megawattos PEM elektrolízis tartályrendszer teljes költségét a HKU-jelentés készítésekor körülbelül 17,8 millió hongkongi dollárra becsülték, ennek akár 53%-át a szerkezeti elemek tették ki. A csapat becslése szerint a költséges szerkezeti anyagok SS-H2-vel való cseréje körülbelül 40-szeresére csökkenthetné a szerkezeti anyagok költségét.

De miért bukik meg e téren a hagyományos rozsdamentes acél? Nos, ezt az anyagot több mint egy évszázada használják korrozív környezetben, jó eredménnyel,; s ez a fő összetevőnek, a krómnak köszönhető. Amikor a króm (Cr) oxidálódik, egy vékony passzív filmet hoz létre, amely megvédi az acélt a károsodástól.

De ennek az ismerős védőrendszernek határai is vannak: a hagyományos rozsdamentes acélban a króm alapú védőréteg nagy elektromos potenciál mellett könnyen lebomolhat. Mindeközben a 254SMO szuper rozsdamentes acél, alatta marad ennek a magas feszültséghatárnak. Jól teljesíthet a szokásos tengeri környezetben, de a hidrogéntermelés extrém elektrokémiai környezete más kihívást jelent.

A HKU csapat válasza erre egy „szekvenciális kettős passziválás” nevű stratégia volt. Azaz ahelyett, hogy az anyag csak a szokásos króm-oxid gátra támaszkodna, az SS-H2 egy második védőréteget képez rajta. Az első réteg a jól ismert Cr2O3 alapú passzív film. Ezután, körülbelül ~720 mV-on, egy mangán alapú réteg alakul ki a króm alapú réteg tetején. Ez a második védőréteg segít megvédeni az acélt kloridtartalmú környezetben, akár 1700 mV ultramagas potenciáljáig.

És pont ez teszi a felfedezést olyan meglepővé. Hiszen a mangánt általában nem tekintik a rozsdamentes acél korróziójában baráti tényezőnek. Épp ellenkezőleg: a kutatók eddig úgy vélték, hogy a mangán éppen hogy elősegíti a korróziót.

„Kezdetben nem hittük el mi sem. Amikor azonban számos atomi szintű eredményt mutattak be a kutatók, az nagyon meggyőző volt. A meglepetésen túl pedig alig várjuk, hogy kiaknázhassuk a mechanizmust” – mondta Dr. Kaiping Yu, a cikk vezető szerzője.

Az első megfigyeléstől a publikációig vezető út a meglepetés ellenére azonban nem volt gyors. A csapat közel hat évet töltött azzal, hogy a szokatlan rozsdamentes acéllal kapcsolatos első felfedezésétől eljussanak a mélyebb tudományos magyarázatig, majd a publikációig, majd a potenciális ipari felhasználásig.