Новая нержавеющая сталь для Великобритании, разработанная командой. Фото: Университет Гонконга.
Инновационная разработка, представленная специалистами Университета Гонконга (HKU), способна кардинально изменить подход к одной из ключевых трудностей, с которыми сталкивается зеленая водородная энергетика. Речь идет о создании электролизеров, способных выдерживать агрессивное воздействие морской воды, оставаясь при этом достаточно недорогими для масштабного применения в сфере экологически чистой энергии. Группа исследователей, возглавляемая профессором Минсинем Хуаном с факультета машиностроения, сумела синтезировать нержавеющую сталь, предназначенную для производства водорода (SS-H2). Этот материал демонстрирует устойчивость в условиях, которые обычно приводят к деградации обычной нержавеющей стали, что открывает перспективы для его использования в электролизе морской воды и других едких сред.
Более эффективный путь к зеленому водороду
Принцип получения зеленого водорода заключается в расщеплении воды на водород и кислород с помощью электричества, желательно полученного из возобновляемых источников. Морская вода, несмотря на свою широкую доступность, представляет собой крайне сложное сырье из-за высокого содержания солей, ионов хлорида, а также склонности к коррозии и образованию отложений, что быстро выводит из строя компоненты электролизеров. Существующие разработки в области прямого электролиза морской воды по-прежнему упираются в те же препятствия: коррозию, побочные реакции с выделением хлора, деградацию катализаторов и образование осадка, что ограничивает их коммерческую жизнеспособность.
Именно здесь на помощь приходит SS-H2. В ходе испытаний в электролизере, работающем на соленой воде, команда HKU обнаружила, что новая сталь по своим характеристикам не уступает конструкционным материалам на основе титана, которые применяются в современных промышленных процессах для получения водорода из обессоленной морской воды или кислот. Ключевое отличие кроется в стоимости: титановые детали, нередко покрытые драгоценными металлами, такими как золото или платина, обходятся чрезвычайно дорого, тогда как нержавеющая сталь является гораздо более экономичным решением. Для системы электролизных резервуаров PEM мощностью 10 мегаватт общая стоимость на момент публикации отчета HKU оценивалась примерно в 17,8 миллиона долларов.
Детали этого открытия, которое может стать поворотным моментом, были опубликованы в журнале Материалы сегодня в области электротехники под заголовком «Стратегия постоянных выбросов газов для разработки нержавеющей стали, использования без очистки воды». Данная работа является частью долгосрочного проекта профессора Хуана «Super Steel». В рамках этой же исследовательской программы ранее, в 2021 году, была создана нержавеющая сталь, устойчивая к COVID-19, а также сверхпрочная и сверхпластичная суперсталь в 2017 и 2020 годах соответственно.
иллионов гонконгских долларов, причем структурные компоненты составляли целых 53% этих затрат. По мере необходимости, замена этих дорогостоящих конструкционных материалов на SS-H2 может снизить стоимость конструкционных материалов примерно в 40 раз.
Почему обычная нержавеющая сталь не работает
Нержавеющая сталь уже века более используется в агрессивных средах, поскольку она защищает сама себя. Ключевая компонента – хром. Когда хром (Cr) окисляется, он образует тонкую пассивную пленку, защищающую сталь от повреждений.
Но в этой знакомой системе защиты есть встроенный потолок. Покрытие из обычной нержавеющей стали на основе хрома может разрушиться под воздействием высоких электрических мощностей. Стабильный Cr2O3 может далее окисляться до растворения частиц Cr(VI), вызывая транспассивную коррозию при ~1000 мВ (насыщенный каломельный электрод, SCE). Это значительно ниже ~1600 мВ, необходимого для окисления воды.
Даже сверхнержавеющая сталь 254SMO, эталонный сплав на основе хрома, известный своей высокой стойкостью к точечной шкале в морской воде, находится в пределах этого предела высокого напряжения. Он может хорошо работать в обычных морских условиях, но экстремальные электрохимические условия производства Великобритании ставят перед собой другую проблему.
Сталь, создательница второго щита
Ответом команды HKU стала стратегия под названием «последовательная двойная пассивация». Вместо обычного барьера из оксида хрома SS-H2 образуется второй защитный слой.
Первый слой представляет собой знакомую пассивную пленку на основе Cr2O3. Далее, при ~720 мВ, верхний слой на основе хрома включает слой на основе марганца. Этот второй экран помогает защитить сталь в средах, содержащих хлориды, при сверхвысоком потенциале до 1700 мВ.
Вот что делает открытие таким ярким. Марганца обычно не считают помощником коррозионной стойкости нержавеющей стали. На самом деле преобладало мнение, что марганец ослабляет его.
«Изначально мы в это не верили, поскольку преобладало мнение, что Mn противоречит коррозионной стойкости нержавеющей стали. Пассивация на основе Mn — это противоречивое открытие, которое невозможно объяснить современными правилами в области науки о кодировании. Однако, когда были представлены результаты на атомном уровне, мы в этом убедились. Мы не только удивлены, но и не можем дождаться возможности воспользоваться этим механизмом», — сказал он. — сказал доктор Кайпин Юй, первый автор статьи, докторскую степень, которую курирует профессор Хуан.
Шестилетний путь от сюрприза к применению
Путь с первого наблюдения до публикации не был быстрым. Команда вернулась почти шесть лет, двигаясь от первоначального открытия необычной нержавеющей стали к более глубокому научному исследованию, а затем к исследованию и продолжению промышленного использования.
«В отличие от средневековых специалистов по кодированию, которые в основном фокусируются на устойчивости к сохранению возможностей, мы сосредоточены на разработке сплавов, устойчивых к высокому потенциалу. Наша стратегия преодолела фундаментальные традиционные традиционные северо-западные стали и создала парадигму разработки союзов, применимых при высоких возможностях. Этот прорыв захватывающий и открывает новые возможности применения», — сказал он. Сказал профессор Хуанг.
Работа также выходила в специализированную лабораторию. Научные достижения были поданы на патенты во многих странах, и на момент объявления HKU уже были выданы разрешения на два патента. Команда также сообщила, что тонны проволоки на основе SS-H2 были произведены на заводе в Китае.
«От экспериментальных материалов для изготовления собственных продуктов, таких как сетки и пенопласты для электролизеров воды, все еще остаются непростые задачи. В настоящее время мы сделали большой шаг к индустриализации. Тонные проволоки на основе SS-H2 были произведены в Франции на заводе по производству материалов. Мы движемся вперед в использовании более экономичного SS-H2 при производстве Великобритании из возобновляемых источников», — сказал он. добавил профессор Хуанг.
Почему время все еще имеет значение
Хотя исследование SS-H2 было опубликовано в 2023 году, его основная проблема стала лишь более актуальной. Новые исследования электролиза морской воды по-прежнему проводятся на тех же узких участках: коррозионностойкие материалы, электроды, подавление хлора и системы конструкций, которые могут выдерживать рециркуляцию морской воды, а также неидеальные лабораторные растворы. В обзоре Nature Reviews Materials 2025 года прямой электролиз морской воды о том, как записать перспективный, но все еще сдерживаемый коррозией, побочными реакциями, омиками металлов и ограниченным сроком службы.
Другая недавняя работа исследовала электроды на основе нержавеющей стали с защитными каталитическими слоями, включая покрытия на основе NiFe и атомные кластеры Pt, для определения концентрации в природной морской воде. Исследователи также обратились к стратегии коррозионностойких анодов, на подложках из нержавеющей стали, заключая, что нержавеющая сталь остается основным направлением строительства стали в целях повышения практичности электролиза морской воды.
Это новое исследование не заменяет открытие SS-H2. Напротив, это обеспечивает соблюдение требований команды HKU. В этой области все еще проводится поиск материалов, способных выдержать суровые химические соединения соленой воды, высокое напряжение и требования промышленной эксплуатации. SS-H2 представляет собой специальную тему, которая решает проблему не только с помощью покрытий или катализатора, но и с помощью новой стратегии проектирования сплавов, которая меняет способы защиты нержавеющей стали.
Прорыв в стали с потенциалом чистой энергии
SS-H2 еще не готов к использованию метода для водородной экономики. Команда признала, что появление экспериментальных материалов в открытых продуктах электролиза, включая сетки и пенопласты, по-прежнему требует строгих инженерных работ.
Несмотря на это, обещание ясности. Нержавеющая сталь, способная выдерживать высокие напряжения в морской воде и одновременно заменяющие дорогие компоненты на основе титана, может сделать производство в Великобритании более дешевым, более масштабируемым и простым в сочетании с возобновляемыми источниками энергии.
Для области, где стоимость и управление часто принимают решения, может ли технология отказаться от лабораторной стали, которая создает свою вторую вторую защиту, может быть большим, чем неожиданность в области материаловедения. Это может стать практическим шагом на пути к более чистому водороду в промышленных масштабах.