由香港大学机械工程系黄明欣教授领导的一个研究项目,在传统不锈钢和氢用不锈钢(SS-H2)的开发上取得了全新突破。
这是黄教授团队继2021年研制出抗新冠肺炎不锈钢、2017年和2020年研制出超强韧超级钢之后,在“超级钢”项目中取得的又一重大成果。
该团队开发的新型钢材具有很高的耐腐蚀性,使其在海水绿色制氢方面具有潜在的应用潜力,一种新的可持续解决方案仍在酝酿中。
这种新型钢材在盐水电解槽中的性能与目前工业实践中使用钛作为结构部件从脱盐的海水或酸中生产氢气相当,而其成本要便宜得多。
这一发现发表在《今日材料-Materials Today》杂志上,题为“设计水上氧化不锈钢的顺序双重钝化策略”。研究成果目前正在多个国家申请专利,其中两项已经获得授权。
自一个世纪前被发现以来,不锈钢一直是腐蚀环境中广泛使用的重要材料。铬是建立不锈钢耐腐蚀性的基本元素。钝化膜是通过铬(Cr)氧化产生的,在自然环境中保护不锈钢。不幸的是,这种传统的基于Cr的单一钝化机制阻碍了不锈钢的进一步发展。由于稳定的Cr2O3进一步氧化为可溶的Cr(VI),在~1000 mV(饱和甘汞电极,SCE)下,常规不锈钢不可避免地发生被动腐蚀,这低于~1600 mV水氧化所需的电位。
例如,254SMO超级不锈钢是铬基防腐合金的基准,在海水中具有优异的抗点蚀性能;然而,透射腐蚀限制了它在高电位下的应用。
通过“顺序双钝化”策略,黄教授的研究团队开发了具有优异耐腐蚀性的新型SS-H2。在~720 mV下,除形成单一的Cr2O3基无源层外,在原Cr基无源层上形成第二层Mn基钝化层。顺序双钝化机制防止SS-H2在氯化物介质中腐蚀至1700 mV的超高电位。SS-H2展示了对传统不锈钢的根本性突破。
本文第一作者余开平博士,黄教授指导了其博士学位:
“起初,我们不相信,因为流行的观点是Mn会损害不锈钢的耐腐蚀性。”
“锰基钝化是一个反直觉的发现,目前的腐蚀科学知识无法解释。然而,当大量的原子水平的结果出现时,我们被说服了。除了惊讶之外,我们迫不及待地想要利用这种机制。”
从最初发现新型不锈钢到科学认识上取得突破,最终准备正式发表并有望实现工业应用,该团队投入了近六年的工作。
黄教授说:
“与目前的腐蚀界主要关注自然电位下的耐蚀性不同,我们专注于开发高电位耐蚀合金。”
“我们的策略克服了传统不锈钢的基本限制,并建立了适用于高潜力合金开发的范例。这一突破令人兴奋,并带来了新的应用。”
目前,对于脱盐海水或酸性溶液中的水电解槽,结构部件需要昂贵的Au(金)或Pt(铂金)包覆Ti(钛)。例如,目前阶段一个10MW PEM电解系统的总成本约为1780万港元(1638万人民币),其中结构部件占总费用的53%。黄教授团队的突破使得用更经济的钢材代替这些昂贵的结构部件成为可能。据估计,使用SS-H2有望使结构材料成本降低约40倍,具有很大的工业应用前景。
“从实验材料到实际产品,如用于水电解槽的网格和泡沫,手头仍然有挑战性的任务。目前,我们已经向工业化迈进了一大步。与内地一家工厂合作,生产了数吨的SS-H2基材。我们正在将更经济的SS-H2应用于可再生能源制氢,”黄教授补充说。
黄明欣教授和余开平博士
(素材来自:香港大学 全球氢能网、新能源网综合) |