Μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο του Χονγκ Κονγκ (HKU) ανέπτυξε έναν νέο τύπο ανοξείδωτου χάλυβα που ξεπερνά τους σημαντικότερους περιορισμούς του συμβατικού ατσαλιού, ανοίγοντας τον δρόμο για τη δραστική μείωση του κόστους παραγωγής του πράσινου υδρογόνου.
Με επικεφαλής τον καθηγητή Μινγκσίν Χουάνγκ από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του HKU, οι ερευνητές δημιούργησαν τον «χάλυβα υδρογόνου» (SS-H2).
Ένα υλικό ειδικά σχεδιασμένο να αντέχει σε ακραίες συνθήκες διάβρωσης, στις οποίες το κοινό ανοξείδωτο ατσάλι θα κατέρρεε.
Η εξέλιξη αυτή αποτελεί το πιο πρόσφατο επίτευγμα του ερευνητικού προγράμματος «Super Steel» του καθηγητή Χουάνγκ. Η ομάδα του έχει ήδη στο ενεργητικό της σημαντικές επιτυχίες, έχοντας αναπτύξει έναν ανοξείδωτο χάλυβα με αντι-COVID ιδιότητες το 2021, καθώς και παραλλαγές του «Σούπερ Χάλυβα» με κορυφαία αντοχή και σκληρότητα το 2017 και το 2020.
Ένας νέο χάλυβας στην υπηρεσία του πράσινου υδρογόνου
Ο SS-H2 αφήνει μεγάλες υποσχέσεις κυρίως λόγω της κορυφαίας αντοχής του στη διάβρωση.
Η συγκεκριμένη ιδιότητα τον καθιστά ιδανικό για συστήματα παραγωγής πράσινου υδρογόνου από θαλασσινό νερό — έναν τομέα όπου η επιστημονική κοινότητα αναζητά ακόμη πρακτικές και βιώσιμες τεχνολογικές λύσεις.
Το υδρογόνο παράγεται μέσω της ηλεκτρόλυσης, μιας διαδικασίας που χρησιμοποιεί ηλεκτρικό ρεύμα για τη διάσπαση του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο. Όταν η ενέργεια αυτή προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, το καύσιμο χαρακτηρίζεται ως πράσινο υδρογόνο.
Ωστόσο, ο εξοπλισμός της ηλεκτρόλυσης απαιτείται να αντέχει σε ακραίες χημικές και ηλεκτρικές καταπονήσεις, ιδιαίτερα όταν υπάρχει παρουσία αλατιού.
Σε συνθήκες ηλεκτρόλυσης θαλασσινού νερού, ο νέος χάλυβας παρουσίασε επιδόσεις ανάλογες με εκείνες των δομικών εξαρτημάτων τιτανίου, τα οποία χρησιμοποιούνται σήμερα για την παραγωγή υδρογόνου από αφαλατωμένο νερό ή όξινα διαλύματα.
Η ειδοποιός διαφορά εντοπίζεται στο κόστος, καθώς ο SS-H2 είναι σημαντικά φθηνότερος.
Τα ευρήματα της έρευνας δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Materials Today, σε μελέτη με τίτλο «A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation» (Μια στρατηγική διαδοχικής διπλής παθητικοποίησης για τον σχεδιασμό ανοξείδωτου χάλυβα που χρησιμοποιείται πάνω από την οξείδωση του νερού).
Οι ερευνητές έχουν ήδη καταθέσει αιτήσεις για την κατοχύρωση πατεντών σε διάφορες χώρες, με δύο από αυτές να έχουν ήδη εγκριθεί.
Οι περιορισμοί του συμβατικού χάλυβα και το «φράγμα» της διάβρωσης
Ο ανοξείδωτος χάλυβας χρησιμοποιείται εδώ και περίπου έναν αιώνα, αποτελώντας ένα από τα πιο κρίσιμα υλικά για εφαρμογές όπου η διάβρωση αποτελεί απειλή. Το μεγαλύτερο μέρος της ανθεκτικότητάς του οφείλεται στο χρώμιο.
Όταν το χρώμιο (Cr) που περιέχεται στο ατσάλι αντιδρά με το περιβάλλον, σχηματίζει ένα λεπτό, προστατευτικό στρώμα στην επιφάνειά του. Αυτό το παθητικό στρώμα εμποδίζει το υποκείμενο μέταλλο να συνεχίσει να διαβρώνεται.
Ωστόσο, για τους συμβατικούς ανοξείδωτους χάλυβες, αυτή η προστασία έχει ένα πολύ συγκεκριμένο όριο.
Το προστατευτικό οξείδιο του χρωμίου (Cr₂O₃) μπορεί να υποστεί περαιτέρω οξείδωση και να σχηματίσει διαλυτές ενώσεις εξασθενούς χρωμίου [Cr(VI)]. Όταν συμβεί αυτό, η επιφάνεια εισέρχεται σε μια φάση φθοράς γνωστή ως υπερπαθητική διάβρωση.
Στο συμβατικό ανοξείδωτο ατσάλι, η διαδικασία αυτή μπορεί να ξεκινήσει περίπου στα ~1.000 mV (έναντι κορεσμένου ηλεκτροδίου καλομέλανος, SCE). Ωστόσο, η οξείδωση του νερού —μια θεμελιώδης αντίδραση κατά την ηλεκτρόλυση— απαιτεί σημαντικά υψηλότερο δυναμικό, περίπου στα ~1.600 mV.
Αυτή η αναντιστοιχία εμπόδιζε μέχρι σήμερα τη χρήση του συμβατικού ανοξείδωτου χάλυβα σε ηλεκτροχημικές εφαρμογές υψηλής τάσης.
Ακόμη και ο υπερ-ανοξείδωτος χάλυβας 254SMO, ο οποίος θεωρείται σημείο αναφοράς για τα ανθεκτικά στη διάβρωση κράματα χρωμίου με εξαιρετική αντοχή στη διάβρωση με κοιλώματα (pitting) στο θαλασσινό νερό, έρχεται αντιμέτωπος με το ίδιο πρόβλημα.
Η ανθεκτικότητά του μειώνεται κατακόρυφα όταν το ηλεκτρικό δυναμικό αυξηθεί αρκετά.
Μια δεύτερη, «αόρατη» ασπίδα προστασίας
Η ομάδα του καθηγητή Χουάνγκ ξεπέρασε αυτόν τον χρόνιο περιορισμό εφαρμόζοντας μια μέθοδο που οι ερευνητές ονομάζουν «διαδοχική διπλή παθητικοποίηση».
Αντί να βασίζεται αποκλειστικά στο παραδοσιακό προστατευτικό στρώμα οξειδίου του χρωμίου, ο SS-H2 αναπτύσσει μια επιπλέον προστατευτική στρώση πάνω από αυτό.
Αυτή η δεύτερη ασπίδα έχει ως βάση το μαγγάνιο και αρχίζει να σχηματίζεται περίπου στα ~720 mV.
Συνδυαστικά, τα δύο αυτά στρώματα επιτρέπουν στο ατσάλι να ανθίσταται στη διάβρωση σε περιβάλλοντα με υψηλή συγκέντρωση χλωριδίων, ακόμη και σε ηλεκτρικό δυναμικό που αγγίζει τα 1.700 mV.
Σημειώνεται ότι τα χλωρίδια, τα οποία αφθονούν στο θαλασσινό νερό, είναι εξαιρετικά επιθετικά προς τα περισσότερα μέταλλα και προκαλούν τοπικές διαβρώσεις.
Η επίτευξη των 1.700 mV είναι καθοριστικής σημασίας, καθώς ξεπερνά το απαιτούμενο ηλεκτρικό δυναμικό για την οξείδωση του νερού. Για τον λόγο αυτό, οι ερευνητές θεωρούν τον SS-H2 μια θεμελιώδη εξέλιξη σε σύγκριση με τον συμβατικό ανοξείδωτο χάλυβα.
Αυτό που καθιστά το αποτέλεσμα ιδιαίτερα εντυπωσιακό είναι ο ρόλος του μαγγανίου. Μέχρι σήμερα, η κοινή επιστημονική παραδοχή ήθελε το μαγγάνιο να υπονομεύει την αντοχή του χάλυβα στη διάβρωση.
«Αρχικά δεν το πιστεύαμε, επειδή η επικρατούσα άποψη είναι ότι το Mn μειώνει την αντοχή του ανοξείδωτου χάλυβα στη διάβρωση.
Η παθητικοποίηση με βάση το Mn είναι ένα εύρημα που έρχεται σε αντίθεση με όσα γνωρίζαμε μέχρι σήμερα, η οποία δεν μπορεί να εξηγηθεί με βάση τις σημερινές γνώσεις στην επιστήμη της διάβρωσης. Ωστόσο, όταν παρουσιάστηκαν πολυάριθμα αποτελέσματα σε ατομικό επίπεδο, πειστήκαμε…
Πέρα από την έκπληξή μας, ανυπομονούμε να αξιοποιήσουμε τον μηχανισμό», δήλωσε ο Δρ. Κάιπινγκ Γιου, πρώτος συγγραφέας της μελέτης, η διδακτορική διατριβή του οποίου εκπονήθηκε υπό την επίβλεψη του καθηγητή Χουάνγκ.
Μια 6ετής επιστημονική οδύσσεια
Το ερευνητικό πρόγραμμα διήρκεσε σχεδόν έξι χρόνια, ξεκινώντας από την τυχαία ανακάλυψη αυτού του ασυνήθιστου χάλυβα και συνεχίζοντας με επίμονες προσπάθειες για την κατανόηση της συμπεριφοράς του σε ατομικό επίπεδο.
Η εργασία αυτή οδήγησε τελικά στη δημοσίευση των ευρημάτων και άνοιξε τον δρόμο για την πιθανή βιομηχανική αξιοποίησή του.
Αντί να επικεντρωθεί αποκλειστικά στον τρόπο με τον οποίο τα κράματα αντιστέκονται στη διάβρωση υπό κανονικές συνθήκες, η ομάδα του καθηγητή Χουάνγκ έστρεψε την προσοχή της στην ανάπτυξη υλικών που παραμένουν σταθερά σε πολύ υψηλότερα ηλεκτρικά δυναμικά.
«Σε αντίθεση με την υφιστάμενη κοινότητα της επιστήμης της διάβρωσης, η οποία επικεντρώνεται κυρίως στην αντοχή σε φυσικά δυναμικά, εμείς ειδικευόμαστε στην ανάπτυξη κραμάτων ανθεκτικών σε υψηλά δυναμικά.
Η στρατηγική μας ξεπέρασε τον θεμελιώδη περιορισμό του συμβατικού ανοξείδωτου χάλυβα και δημιούργησε ένα νέο πρότυπο για την ανάπτυξη κραμάτων που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υψηλά δυναμικά.
Η ανακάλυψη αυτή είναι συναρπαστική και ανοίγει τον δρόμο για νέες εφαρμογές», δήλωσε ο καθηγητής Χουάνγκ.
Κατακόρυφη πτώση του κόστους
Οι οικονομικές προεκτάσεις της ανακάλυψης αναμένεται να είναι τεράστιες.
Οι συσκευές ηλεκτρόλυσης που λειτουργούν με αφαλατωμένο θαλασσινό νερό ή όξινα διαλύματα απαιτούν σήμερα πανάκριβα εξαρτήματα τιτανίου, τα οποία είναι επικαλυμμένα με χρυσό ή πλατίνα.
Το κόστος αυτών των υλικών αντιπροσωπεύει ένα πολύ μεγάλο μερίδιο της συνολικής δαπάνης για ένα σύστημα ηλεκτρόλυσης.
Σύμφωνα με τους ερευνητές, ένα σύστημα ηλεκτρόλυσης PEM ισχύος 10 megawatt κοστίζει σήμερα περίπου 17,8 εκατομμύρια δολάρια Χονγκ Κονγκ (HK$).
Ο όρος PEM αναφέρεται στην ηλεκτρόλυση μέσω μεμβράνης ανταλλαγής πρωτονίων, μια τεχνολογία που χρησιμοποιεί ένα ηλεκτρικά τροφοδοτούμενο σύστημα μεμβρανών για τον διαχωρισμό του νερού σε υδρογόνο και οξυγόνο.
Τα δομικά εξαρτήματα μπορούν να αντιπροσωπεύουν έως και το 53% του συνολικού κόστους του συστήματος.
Οι ερευνητές πιστεύουν ότι ο SS-H2 θα μπορούσε να αντικαταστήσει ορισμένα από αυτά τα πανάκριβα εξαρτήματα με έναν πολύ πιο οικονομικό χάλυβα.
Οι εκτιμήσεις τους δείχνουν ότι η χρήση του νέου υλικού θα μπορούσε να μειώσει το κόστος των δομικών υλικών περίπου 40 φορές, προσδίδοντάς του τεράστιες προοπτικές για τη βιομηχανική παραγωγή υδρογόνου.
Το επόμενο μεγάλο στοίχημα
Ωστόσο, παραμένουν σημαντικές τεχνικές προκλήσεις προτού το υλικό μπορέσει να εφαρμοστεί ευρέως.
Οι συσκευές ηλεκτρόλυσης απαιτούν εξαρτήματα σε πρακτικές μορφές, όπως μεταλλικά πλέγματα και αφρούς, πράγμα που σημαίνει ότι οι επιδόσεις στο εργαστήριο από μόνες τους δεν αρκούν.
Παρ’ όλα αυτά, οι ερευνητές έχουν ήδη ξεκινήσει τις διαδικασίες για τη μετάβαση του SS-H2 προς τη μαζική βιομηχανική παραγωγή.
«Από τα πειραματικά υλικά μέχρι τα πραγματικά προϊόντα, όπως τα πλέγματα και οι αφροί για τις συσκευές ηλεκτρόλυσης νερού, υπάρχουν ακόμη απαιτητικά καθήκοντα μπροστά μας.
Αυτή τη στιγμή, έχουμε κάνει ένα μεγάλο βήμα προς τη βιομηχανοποίηση. Τόνοι συρμάτων με βάση τον SS-H2 έχουν ήδη παραχθεί σε συνεργασία με εργοστάσιο της ηπειρωτικής Κίνας.
Προχωράμε σταθερά προς την εφαρμογή του πιο οικονομικού SS-H2 στην παραγωγή υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές», πρόσθεσε ο καθηγητής Χουάνγκ.
Ο συνδυασμός της υψηλής αντοχής στη διάβρωση και του εξαιρετικά χαμηλότερου κόστους υλικών θα μπορούσε να καταστήσει τον SS-H2 ιδιαίτερα πολύτιμο, εφόσον αποδώσει αξιόπιστα στους εμπορικούς ηλεκτρολύτες.
Εάν η τεχνολογία μεταβεί με επιτυχία από το στάδιο του πειραματικού χάλυβα στα βιομηχανικά εξαρτήματα, θα μπορούσε να προσφέρει μια πολύ φθηνότερη διαδρομή για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και θαλασσινό νερό.