Исследовательский проект, возглавляемый профессором Минсинем Хуангом на факультете машиностроения Гонконгского университета (HKU), совершил прорыв в области традиционной нержавеющей стали и разработке нержавеющей стали для водорода (SS-H 2).
Это знаменует собой еще одно важное достижение команды профессора Хуанга в рамках проекта «Супер сталь» после разработки нержавеющей стали, устойчивой к COVID-19, в 2021 году, а также сверхпрочной и сверхпрочной стали Super Steel в 2017 и 2020 годах соответственно.
Новая сталь, разработанная командой, демонстрирует высокую коррозионную стойкость, что позволяет ее потенциально использовать для производства экологически чистого водорода из морской воды, где новое устойчивое решение все еще находится в стадии разработки.
Характеристики новой стали в электролизере с соленой водой сопоставимы с текущей промышленной практикой использования титана в качестве конструкционных деталей для производства водорода из обессоленной морской воды или кислоты, при этом стоимость новой стали намного дешевле.
Открытие было опубликовано в журнале Materials Today в статье под названием «Последовательная стратегия двойной пассивации для разработки нержавеющей стали, используемой без водного окисления». Научные достижения в настоящее время поданы на патенты во многих странах, и два из них уже получили разрешение.
С момента своего открытия сто лет назад нержавеющая сталь всегда была важным материалом, широко используемым в агрессивных средах. Хром является важным элементом в обеспечении коррозионной стойкости нержавеющей стали. Пассивная пленка образуется в результате окисления хрома (Cr) и защищает нержавеющую сталь в естественных условиях. К сожалению, этот традиционный механизм одиночной пассивации на основе Cr остановил дальнейшее развитие нержавеющей стали.
Из-за дальнейшего окисления стабильного Cr 2 O 3 в растворимые соединения Cr(VI) в обычной нержавеющей стали неизбежно возникает транспассивная коррозия при ~1000 мВ (насыщенный каломельный электрод, SCE), что ниже потенциала, необходимого для окисления воды при ~ 1600 мВ.
Например, супернержавеющая сталь 254SMO является эталоном среди антикоррозионных сплавов на основе хрома и обладает превосходной стойкостью к точечной коррозии в морской воде; однако транспассивная коррозия ограничивает его применение при более высоких потенциалах.
Используя стратегию «последовательной двойной пассивации», исследовательская группа профессора Хуанга разработала новый SS-H 2 с превосходной коррозионной стойкостью. Помимо единственного пассивного слоя на основе Cr 2 O 3 , на предшествующем слое на основе Cr образуется вторичный слой на основе Mn при ~720 мВ. Механизм последовательной двойной пассивации предотвращает коррозию SS-H 2 в хлоридных средах до сверхвысокого потенциала 1700 мВ. SS-H 2 демонстрирует фундаментальный прорыв по сравнению с обычной нержавеющей сталью.
«Изначально мы в это не верили, поскольку преобладало мнение, что марганец ухудшает коррозионную стойкость нержавеющей стали. Пассивация на основе марганца — это противоречивое открытие, которое невозможно объяснить современными знаниями в области коррозии. Однако, когда многочисленные атомные «Результаты на уровне были представлены, мы были убеждены. Мы не только удивлены, но и не можем дождаться возможности использовать этот механизм», — сказал доктор Кайпин Юй, первый автор статьи, чья докторская степень. под руководством профессора Хуанга.
От первоначального открытия инновационной нержавеющей стали до достижения прорыва в научных знаниях и, наконец, подготовки к официальной публикации и, надеюсь, к ее промышленному применению, команда посвятила работе почти шесть лет.
«В отличие от нынешнего сообщества специалистов по коррозии , которое в основном фокусируется на стойкости к естественным потенциалам, мы специализируемся на разработке сплавов, устойчивых к высокому потенциалу. Наша стратегия преодолела фундаментальные ограничения традиционной нержавеющей стали и создала парадигму для разработки сплавов, применимых при высоких потенциалах. Этот прорыв является захватывающим и открывает новые возможности применения». Сказал профессор Хуан.
В настоящее время для электролизеров воды в обессоленной морской воде или растворах кислот в качестве конструктивных элементов требуются дорогие Ti с покрытием Au или Pt. Например, общая стоимость системы электролизных резервуаров PEM мощностью 10 мегаватт на нынешнем этапе составляет примерно 17,8 миллиона гонконгских долларов, при этом структурные компоненты составляют до 53% общих затрат.
Прорыв, сделанный командой профессора Хуана, позволяет заменить эти дорогостоящие конструктивные элементы более экономичной сталью . По оценкам, использование SS-H 2 , как ожидается, снизит стоимость конструкционных материалов примерно в 40 раз, демонстрируя большие возможности промышленного применения.
«От экспериментальных материалов до реальных продуктов, таких как сетки и пены для электролизеров воды, все еще остаются непростые задачи. В настоящее время мы сделали большой шаг к индустриализации. В сотрудничестве были произведены тонны проволоки на основе SS-H2. с заводом на материке. Мы продвигаемся вперед в применении более экономичного SS-H 2 в производстве водорода из возобновляемых источников», — добавил профессор Хуанг.
