В процессе расширения мощностей по производству экологически чистого водорода реальным узким местом зачастую является не энергоснабжение, а ключевые материалы. В частности, в оборудовании для производства водорода для электролиза морской воды рабочая среда является одновременно высоким напряжением и высокой коррозионной активностью, что затрудняет стабильную работу большинства металлов в течение длительного времени. Они вынуждены полагаться на дорогие титановые сплавы и покрытия из драгоценных металлов, что увеличивает стоимость системы и ограничивает ее крупномасштабное внедрение.Исследовательская группа из Университета Гонконга пытается исправить эту ситуацию. Команда под руководством профессора Хуан Минсиня разработала новый сплав нержавеющей стали SS-H2, который может стабильно работать в течение длительного времени в жесткой электролитической среде и, как утверждается, заменит существующие дорогостоящие компоненты.
Это исследование, опубликованное в журнале Materials Today, является одной из последних разработок долгосрочного исследовательского проекта команды Хуан Минсиня «Супер Сталь», в рамках которого ранее были созданы сверхвысокопрочные сплавы и материалы из нержавеющей стали с антибактериальными свойствами. Целью разработки SS-H2 является сохранение стабильности в потенциальном диапазоне, в котором традиционная нержавеющая сталь не справляется, и она особенно подходит для электролизных устройств, в которых напрямую используется морская вода. Исследователи отметили, что основная проблема в настоящее время заключается в том, что коррозионная стойкость нержавеющей стали в основном зависит от плотной оксидной пленки, образованной хромом. Этот механизм хорошо работает в общепромышленных и морских средах, но он полностью выходит из строя в условиях электролиза с высоким потенциалом.
Эксперименты показывают, что когда потенциал повышается примерно до 1000 мВ (относительно насыщенного каломельного электрода), пленка оксида хрома на поверхности традиционной нержавеющей стали начинает разлагаться, образуя растворимые соединения и вызывая сильную коррозию, в то время как для эффективных реакций окисления воды обычно требуется потенциал около 1600 мВ. Даже высококачественный сплав 254SMO, разработанный для суровых условий морской воды, не может оставаться стабильным при таком высоком потенциале. Поэтому во многих современных системах электролиза можно использовать только конструкционные детали на основе титана, дополненные покрытиями из драгоценных металлов, таких как платина и золото. Несмотря на надежность, они значительно увеличивают стоимость оборудования, особенно после масштабирования до промышленных масштабов.
Идея SS-H2 — изменить способ защиты металла. В обычной нержавеющей стали защита в основном обеспечивается одной пленкой оксида хрома; в SS-H2 материал в процессе эксплуатации последовательно образует два защитных слоя: сначала обычную оксидную пленку на основе хрома, а затем при более высоком потенциале (около 720 мВ) над ней формируется защитный слой на основе марганца. Именно этот второй уровень защиты позволяет материалу оставаться стабильным примерно до 1700 мВ, охватывая таким образом диапазон напряжений, необходимый для расщепления воды.
Стоит отметить, что само по себе введение марганца является весьма неожиданным. Традиционно считается, что марганец ослабляет коррозионную стойкость нержавеющей стали, а не улучшает ее. Доктор Ю Кайпин, первый автор статьи, напомнил, что команде поначалу было трудно поверить в то, что Mn может способствовать формированию стабильного пассивационного слоя, поскольку это противоречило существующим знаниям в области науки о коррозии. Однако после того, как было представлено большое количество экспериментальных результатов атомного масштаба, они наконец подтвердили это «нелогичное» явление пассивации на основе Mn.
Если такие материалы будут работать так, как ожидалось, за пределами лаборатории, экономический эффект может быть значительным. Исследовательская группа использовала систему электролиза PEM мощностью 10 МВт в качестве примера для оценки структуры затрат: на конструкционные материалы приходится значительная часть общей стоимости, примерно 17,8 миллиона гонконгских долларов, из которых целых 53% напрямую связаны с этими компонентами. На этом основании команда прогнозирует, что если SS-H2 будет использоваться для замены существующих материалов на основе титана, стоимость конструкционных материалов, как ожидается, снизится примерно в 40 раз, тем самым значительно снизив общую стоимость системы.
Эта работа также отражает изменения в проектировании коррозионностойких материалов. Хуан Минсинь отметил, что традиционные исследования коррозии больше фокусируются на характеристиках материалов с «естественным потенциалом», в то время как их стратегия заключается в разработке сплавов, стабильных при высоких потенциалах. Переработав систему сплавов, чтобы сформировать новый механизм защиты при работе с высоким потенциалом, команда считает, что она преодолела «потенциальный верхний предел» традиционной нержавеющей стали и предоставила новую парадигму для разработки сплавов для сред с высоким потенциалом.
В настоящее время эти исследования вышли из ранней экспериментальной стадии. Соответствующие патенты были поданы во многих странах, два из которых были выданы, когда было объявлено об исследовании. Исследовательская группа также начала работу с заводом в материковом Китае по производству проволоки SS-H2, хотя необходимы дальнейшие инженерные разработки и оптимизация процесса, чтобы превратить ее в сетчатые или пенопластовые конструкции, подходящие для электролизеров. Такие проблемы, как коррозия, побочные реакции, связанные с хлором, деградация катализатора и ограниченный срок службы системы, остаются распространенными во всей области электролиза морской воды, и многие исследования были сосредоточены на добавлении покрытий или поверхностной обработки к традиционным поверхностям из нержавеющей стали для повышения долговечности.
В отличие от этих путей, SS-H2 начинается с самого материала и позволяет материалу «спонтанно» образовывать защитный слой во время рабочего процесса, изменяя состав сплава и электрохимическое поведение, а не добавляя впоследствии дополнительные покрытия. Этот эндогенный механизм защиты может обеспечить высокую надежность при одновременном учете контроля затрат, что даст будущим устройствам для производства водорода электролизом морской воды больше шансов занять место в крупномасштабном коммерческом использовании. Однако исследователи также подчеркнули, что материал все еще находится на ранних стадиях индустриализации, и его долгосрочный срок службы и работоспособность в реальных условиях эксплуатации еще предстоит проверить. Однако это направление показывает, что решение проблем стоимости и долговечности зеленого водорода может также зависеть от переосмысления «базовых материалов», а не просто от усовершенствований на уровне проектирования системы.