Ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ (HKU), με επικεφαλής τον καθηγητή Μινγκσίν Χουάνγκ, ανέπτυξε έναν πρωτοποριακό τύπο ανοξείδωτου χάλυβα, τον «χάλυβα υδρογόνου» (SS-H2). Το νέο αυτό υλικό υπόσχεται να φέρει επανάσταση στην παραγωγή πράσινου υδρογόνου από θαλασσινό νερό, ξεπερνώντας τους εγγενείς περιορισμούς διάβρωσης του συμβατικού ατσαλιού και αντικαθιστώντας πανάκριβα μέταλλα όπως το τιτάνιο, ο χρυσός και η πλατίνα. Η μελέτη, η οποία δημοσιεύθηκε στο επιστημονικό περιοδικό Materials Today, αποτελεί το πιο πρόσφατο επίτευγμα του επιτυχημένου ερευνητικού προγράμματος «Super Steel» του πανεπιστημίου.
Στον συμβατικό ανοξείδωτο χάλυβα, η αντιδιαβρωτική προστασία βασίζεται αποκλειστικά σε ένα λεπτό στρώμα οξειδίου του χρωμίου. Ωστόσο, σε ηλεκτροχημικές εφαρμογές υψηλής τάσης, το στρώμα αυτό διαλύεται λόγω υπερπαθητικής διάβρωσης μόλις το ηλεκτρικό δυναμικό φτάσει γύρω στα ~1.000 mV. Καθώς η απαραίτητη αντίδραση οξείδωσης του νερού κατά την ηλεκτρόλυση απαιτεί σημαντικά υψηλότερο δυναμικό, κοντά στα ~1.600 mV, η χρήση του κοινού ατσαλιού ήταν μέχρι σήμερα αδύνατη.
Η ομάδα του HKU κατάφερε να ξεπεράσει αυτό το εμπόδιο εφαρμόζοντας τη μέθοδο της «διαδοχικής διπλής παθητικοποίησης», εισάγοντας μια δεύτερη, απρόσμενη ασπίδα προστασίας:
- Πρώτο στρώμα προστασίας: Βασίζεται στο παραδοσιακό οξείδιο του χρωμίου.
- Δεύτερο στρώμα προστασίας (μαγγάνιο): Αναπτύσσεται πάνω από το πρώτο, έχει ως βάση το μαγγάνιο (Mn) και αρχίζει να σχηματίζεται στα ~720 mV.
- Αντοχή σε ακραίες συνθήκες: Ο συνδυασμός των δύο στρωμάτων επιτρέπει στο ατσάλι να αντέχει τη διάβρωση σε περιβάλλοντα με υψηλή συγκέντρωση χλωριδίων (όπως το θαλασσινό νερό), ακόμα και σε ηλεκτρικό δυναμικό που αγγίζει τα 1.700 mV.
- Ανατροπή στην επιστήμη: Η ανακάλυψη αυτή κατέρριψε την παραδοσιακή επιστημονική άποψη δεκαετιών, η οποία θεωρούσε ότι το μαγγάνιο υπονομεύει την αντοχή του χάλυβα στη διάβρωση.
Κατακόρυφη πτώση του κόστους εξοπλισμού
Σήμερα, οι συσκευές ηλεκτρόλυσης μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων (PEM) απαιτούν δομικά εξαρτήματα από τιτάνιο με επικαλύψεις χρυσού ή πλατίνας για να αντέχουν στη διάβρωση. Το κόστος των υλικών αυτών είναι τεράστιο και αντιπροσωπεύει έως και το 53% του συνολικού κόστους ενός συστήματος ηλεκτρόλυσης.
Ο νέος χάλυβας SS-H2 προσφέρει μια εξαιρετικά οικονομική εναλλακτική λύση. Ενώ παρέχει επιδόσεις ανάλογες με εκείνες του τιτανίου και αντέχει σε ηλεκτρικό δυναμικό έως και 1.700 mV, βασίζεται σε έναν πολύ φθηνότερο βιομηχανικό χάλυβα. Σύμφωνα με τους ερευνητές, η αντικατάσταση των πολύτιμων μετάλλων από τον SS-H2 μπορεί να μειώσει το κόστος των δομικών υλικών περίπου 40 φορές, καθιστώντας την ευρεία βιομηχανική παραγωγή πράσινου υδρογόνου πολύ πιο προσιτή.
Τα στάδια της επιστημονικής εξέλιξης και η μετάβαση στη παραγωγή
Η ανάπτυξη του υλικού ακολούθησε μια πολυετή πορεία μέχρι την πρώτη βιομηχανική εφαρμογή:
- Πρώιμα επιτεύγματα (2017 – 2021): Η ομάδα του καθηγητή Χουάνγκ αναπτύσσει αρχικά παραλλαγές του «Super Steel» με κορυφαία αντοχή (2017, 2020) και στη συνέχεια τον αντι-COVID χάλυβα (2021).
- Ανακάλυψη του μηχανισμού (6 έτη ερευνών): Μετά την τυχαία παρατήρηση του νέου κραμάτων, η ερευνητική ομάδα εργάζεται επί έξι χρόνια αναλύοντας τη συμπεριφορά του υλικού σε ατομικό επίπεδο, επιβεβαιώνοντας τη δράση του μαγγανίου.
- Δημοσίευση και κατοχύρωση: Τα ευρήματα δημοσιεύονται στο Materials Today και εγκρίνονται οι πρώτες διεθνείς πατέντες.
- Βιομηχανική παραγωγή: Σε συνεργασία με εργοστάσιο στην ηπειρωτική Κίνα, έχουν ήδη παραχθεί οι πρώτοι τόνοι συρμάτων SS-H2, με το επόμενο στοίχημα να είναι η κατασκευή εξαρτημάτων σε μορφή πλεγμάτων και αφρών για εμπορικούς ηλεκτρολύτες.
