„Niewytłumaczalne” – naukowcy odkrywają rewolucyjną stal SS-H2

Naukowcy opracowali pionierską stal nierdzewną do produkcji wodoru, SS-H2, która zapewnia doskonałą odporność na korozję i opłacalność w porównaniu z tytanem. Ta innowacja może znacząco obniżyć koszty materiałów stosowanych w elektrolizie wody, torując drogę niedrogiej produkcji wodoru ze źródeł odnawialnych. Powyżej znajduje się nowa wodorowa stal nierdzewna opracowana przez zespół. Źródło: Uniwersytet w Hongkongu

Zespół kierowany przez profesora Mingxina Huanga z Wydziału Inżynierii Mechanicznej Uniwersytetu w Hongkongu poczynił znaczne postępy w dziedzinie stali nierdzewnej. Ta najnowsza innowacja koncentruje się na rozwoju stali nierdzewnej przeznaczonej do zastosowań wodorowych, znanej jako SS-H₂.

Osiągnięcie to jest częścią trwającego projektu profesora Huanga „Super Steel”, w ramach którego wcześniej osiągnięto kamienie milowe poprzez stworzenie osłony antyradiacyjnej.COVID-19 Stal nierdzewna w 2021 roku oraz rozwój stali ultrawytrzymałej i wysokowytrzymałej w latach 2017 i 2020.

Nowa stal opracowana przez zespół wykazuje wysoką odporność na korozję, co otwiera potencjalne zastosowanie do produkcji ekologicznego wodoru z wody morskiej, w przypadku której nowe zrównoważone rozwiązanie wciąż jest w przygotowaniu.

Wydajność nowych stali w elektrolizerze słonej wody jest porównywalna z obecną praktyką przemysłową wykorzystującą tytan jako elementy konstrukcyjne do produkcji wodoru z odsolonej wody morskiej lub… kwaśnypodczas gdy koszt nowej stali jest znacznie tańszy.

Odkrycie to zostało opublikowane w czasopiśmie Materiały dzisiaj. Osiągnięcia badawcze są obecnie zgłaszane do patentów w kilku krajach, z czego dwa uzyskały już licencję.

Rewolucja w odporności na korozję

Od czasu odkrycia sto lat temu stal nierdzewna zawsze była ważnym materiałem szeroko stosowanym w środowiskach korozyjnych. Chrom jest pierwiastkiem niezbędnym do określenia odporności stali nierdzewnej na korozję. Film negatywowy powstaje w wyniku utleniania chromu (Cr) i chroni stal nierdzewną w środowisku naturalnym. Niestety, tradycyjny mechanizm pojedynczej pasywacji na bazie chromu zatrzymał dalszy postęp w produkcji stali nierdzewnej. W wyniku dalszego utleniania stabilnego chromu₂Hej₃ Do rozpuszczalnego chromu (VI) Klasyfikowaćkorozja bierna nieuchronnie występuje w konwencjonalnej stali nierdzewnej przy ~1000 mV (nasycona elektroda kalomelowa, SCE), czyli poniżej potencjału wymaganego do utleniania wody przy ~1600 mV.

Profesor Mingxin Huang i dr Kaiping Yu. Źródło: Uniwersytet w Hongkongu

Na przykład super stal nierdzewna 254SMO jest standardem wśród stopów antykorozyjnych na bazie chromu i ma doskonałą odporność na wżery w wodzie morskiej; Jednakże przejściowa korozja ogranicza jego zastosowanie przy wyższych potencjałach.

Stosując strategię „sekwencyjnej podwójnej pasywacji”, zespół badawczy profesora Huanga opracował nowatorski SS-H₂ Z doskonałą odpornością na korozję. Plus jeden Kr₂Hej₃Warstwa pasywna na bazie manganu Przy napięciu około 720 mV na poprzedniej warstwie na bazie chromu tworzy się wtórna warstwa na bazie manganu. Mechanizm pasywacji podwójnego łańcucha zapobiega SS-H₂ Od korozji w środowisku chlorkowym do bardzo wysokich potencjałów 1700 mV. SS-H₂ Stanowi zasadniczy przełom w stosunku do tradycyjnej stali nierdzewnej.

Nieoczekiwane odkrycie i potencjalne zastosowania

„Na początku w to nie wierzyliśmy, ponieważ panowała opinia, że ​​mangan pogarsza odporność stali nierdzewnej na korozję. Pasywacja na bazie manganu jest odkryciem sprzecznym z intuicją i nie można jej wytłumaczyć obecną wiedzą z zakresu korozji. Jednak gdy kilka zaprezentowano wyniki na poziomie atomowym „Poza niespodzianką, nie możemy się doczekać wykorzystania tego mechanizmu” – powiedział dr Kaiping Yu, pierwszy autor artykułu, nad którym nadzoruje doktorat profesora Huanga.

Od początkowego odkrycia innowacyjnej stali nierdzewnej, poprzez osiągnięcie przełomu w rozumieniu naukowym, a ostatecznie przygotowania do jej formalnej publikacji i zastosowania przemysłowego, zespół poświęcił na prace prawie sześć lat.

„W przeciwieństwie do obecnej społeczności zajmującej się korozją, która koncentruje się głównie na odporności przy normalnych potencjałach, specjalizujemy się w opracowywaniu stopów o wysokiej odporności. Nasza strategia przezwyciężyła podstawowe ograniczenia konwencjonalnych stali nierdzewnych i stworzyła model dla Stop Rozwój stosowany o wysokim potencjale. Ten przełom jest ekscytujący i przynosi nowe zastosowania” – powiedział profesor Huang.

Obecnie w przypadku elektrolizerów wodnych w odsolonej wodzie morskiej lub roztworach kwaśnych na elementy konstrukcyjne wymagany jest kosztowny Ti pokryty Au lub Pt. Na przykład całkowity koszt systemu zbiorników elektrolizy PEM o mocy 10 MW na obecnym etapie wynosi około 17,8 mln HKD, a elementy konstrukcyjne stanowią do 53% całkowitego kosztu. Przełom dokonany przez zespół profesora Huanga umożliwia zastąpienie tych drogich elementów konstrukcyjnych bardziej ekonomiczną stalą. Według szacunków zatrudnienie SS-H₂ Oczekuje się, że obniży to koszty materiałów budowlanych około 40-krotnie, co będzie świadczyło o znaczącym postępie w zastosowaniach przemysłowych.

„Od materiałów eksperymentalnych po realne produkty, takie jak siatki i pianki, do elektrolizerów wody, przed nami wciąż trudne zadania. Obecnie zrobiliśmy duży krok w stronę industrializacji. We współpracy wyprodukowano tony drutów na bazie SS-H2 z producentem na lądzie.” Main. Kontynuujemy prace nad bardziej ekonomicznym zastosowaniem SS-H₂ „W produkcji wodoru ze źródeł odnawialnych” – dodał profesor Huang.

Odniesienie: „Strategia sekwencyjnej podwójnej pasywacji w projektowaniu stali nierdzewnej stosowanej przez utlenianie wodą” autorstwa Kaiping Yu, Shihui Feng, Zhao Ding, Meng Guo, Peng Yu i Mingxin Huang, 19 sierpnia 2023 r., Materiały dzisiaj.
doi: 10.1016/j.mattod.2023.07.022