Új szuperacél forradalmasíthatja a zöldhidrogén-gyártást

A Mingxin Huang professzor vezette kutatócsoport az úgynevezett SS-H₂, vagyis hidrogénhez fejlesztett rozsdamentes acélt hozta létre. Az anyagot kifejezetten olyan szélsőséges körülményekre tervezték, amelyekben a hagyományos rozsdamentes acél már nem képes megfelelő védelmet nyújtani.

A fejlesztés a professzor által vezetett „Super Steel” projekt legújabb eredménye. A kutatócsoport korábban rendkívül erős és szívós acélokat, valamint 2021-ben koronavírus-ellenes tulajdonságokkal rendelkező rozsdamentes acélt is fejlesztett.

Kettős védőréteg óvja a fémet a korróziótól

Az új anyag különösen a zöldhidrogén előállításában lehet fontos. A hidrogén elektrolízissel állítható elő, amely során elektromos energia segítségével vízből hidrogén és oxigén keletkezik. Ha az ehhez szükséges energiát megújuló forrásból biztosítják, az így előállított hidrogént zöldhidrogénnek nevezik.

A tengervíz felhasználása azonban komoly kihívást jelent. A benne található kloridok rendkívül agresszívan támadhatják a fémeket, miközben az elektrolízis során nagy elektromos potenciál lép fel.

A rozsdamentes acél korrózióállóságának egyik kulcsa a króm. A króm a fém felületén vékony, védő króm-oxid réteget hoz létre, amely megakadályozza a további korróziót. Magas elektromos potenciálnál azonban ez a réteg instabillá válhat, és olyan oldható krómvegyületek képződhetnek, amelyek elindítják az úgynevezett transzpasszív korróziót.

A kutatók ezt a problémát egy második védőréteggel oldották meg. Az SS-H₂ felületén a hagyományos króm-oxid mellett egy mangánalapú passzív réteg is kialakul. A két réteg együtt lehetővé teszi, hogy az anyag kloridokat tartalmazó környezetben akár 1700 millivoltig ellenálljon a korróziónak.

Ez azért jelentős, mert a víz elektrolíziséhez szükséges oxidációs folyamat nagyjából 1600 millivoltos potenciált igényel. Az új acél tehát a kutatók szerint olyan tartományban is stabil marad, ahol a hagyományos rozsdamentes acél már nem.

A felfedezés egyik legmeglepőbb része éppen a mangán szerepe. A korróziótudományban eddig általánosan elfogadott nézet volt, hogy a mangán ronthatja a rozsdamentes acél korrózióállóságát. A kutatók szerint az új mangánalapú passziváció ezért ellentmond a jelenlegi tudományos ismereteknek.

„Kezdetben nem hittünk benne” – mondta Kaiping Yu, a tanulmány első szerzője. Hozzátette: az atomok szintjén végzett vizsgálatok eredményei végül meggyőzték őket arról, hogy valóban egy eddig ismeretlen mechanizmussal állnak szemben.

Negyvenszer olcsóbb lehet az egyik kulcsfontosságú anyag

A fejlesztésnek nemcsak tudományos, hanem jelentős gazdasági következményei is lehetnek. A tengervízből vagy savas oldatokból történő hidrogén-előállításhoz jelenleg gyakran drága titánból készült, arannyal vagy platinával bevont alkatrészeket használnak.

A kutatók becslése szerint egy 10 megawattos PEM-elektrolizáló rendszer jelenleg körülbelül 17,8 millió hongkongi dollárba kerülhet, és a szerkezeti elemek az összköltség akár 53 százalékát is kitehetik. Az SS-H₂ alkalmazásával ezeknek az anyagoknak a költsége a becslések szerint mintegy negyvenedére csökkenthető.

A csaknem hat évig tartó kutatás most már az ipari hasznosítás felé halad. A fejlesztők szerint tonnányi SS-H₂-alapú huzalt már előállítottak egy kínai gyárral együttműködésben. A következő lépés az lehet, hogy az anyagból elektrolizálókban használható hálókat és habszerkezeteket készítsenek.

A kutatók szerint még jelentős mérnöki feladatokat kell megoldani, mielőtt az új acél széles körben alkalmazhatóvá válik. Ha azonban az SS-H₂ laboratóriumi eredményei ipari körülmények között is igazolódnak, az új anyag olcsóbbá teheti a megújuló energiával és akár tengervízzel előállított zöldhidrogént, ami fontos lépés lehet a hidrogénalapú energiaipar fejlődésében.