Wissenschaftler haben mit SS-H2 einen bahnbrechenden Edelstahl für die Wasserstoffproduktion entwickelt, der im Vergleich zu Titan eine überlegene Korrosionsbeständigkeit und Kosteneffizienz bietet. Diese Innovation könnte die Materialkosten in Wasserelektrolyseuren erheblich senken und den Weg für eine erschwinglichere Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Quellen ebnen. Oben ist der vom Team entwickelte neuartige Edelstahl für Wasserstoff zu sehen. Bildnachweis: Die Universität Hongkong
Ein Team unter der Leitung von Professor Mingxin Huang vom Fachbereich Maschinenbau der Universität Hongkong hat einen bedeutenden Fortschritt auf dem Gebiet des Edelstahls erzielt. Diese jüngste Innovation konzentriert sich auf die Entwicklung von Edelstahl für Wasserstoffanwendungen, bekannt als SS-H2.
Diese Errungenschaft ist Teil des laufenden „Super Steel“-Projekts von Professor Huang, das zuvor mit der Entwicklung von Anti-Stahl-Technologien bemerkenswerte Meilensteine erreicht hat.COVID 19 Edelstahl im Jahr 2021 und die Entwicklung von ultrastarkem und ultrazähem Superstahl in den Jahren 2017 und 2020.
Der vom Team entwickelte neue Stahl weist eine hohe Korrosionsbeständigkeit auf und ermöglicht seine potenzielle Anwendung für die Produktion von grünem Wasserstoff aus Meerwasser, wo eine neuartige nachhaltige Lösung noch in der Entwicklung ist.
Die Leistung des neuen Stahl-in-Salzwasser-Elektrolyseurs ist vergleichbar mit der aktuellen industriellen Praxis, bei der Titan als Strukturteile zur Herstellung von Wasserstoff aus entsalztem Meerwasser verwendet wird Säurewährend die Kosten für den neuen Stahl viel günstiger sind.
Die Entdeckung wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Materialien heute. Die Forschungsergebnisse werden derzeit in mehreren Ländern zum Patent angemeldet, zwei davon wurden bereits zugelassen.
Revolutionierung der Korrosionsbeständigkeit
Seit seiner Entdeckung vor einem Jahrhundert war Edelstahl immer ein wichtiges Material, das häufig in korrosiven Umgebungen eingesetzt wird. Chrom ist ein wesentliches Element für die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl. Ein Passivfilm wird durch Oxidation von Chrom (Cr) erzeugt und schützt Edelstahl in natürlichen Umgebungen. Leider hat dieser herkömmliche Einzelpassivierungsmechanismus auf Cr-Basis die weitere Weiterentwicklung von Edelstahl gestoppt. Aufgrund der weiteren Oxidation von stabilem Cr2Ö3 in lösliches Cr(VI) SpeziesIn herkömmlichem Edelstahl tritt zwangsläufig transpassive Korrosion bei ~1000 mV (gesättigte Kalomelelektrode, SCE) auf, was unterhalb des für die Wasseroxidation erforderlichen Potentials bei ~1600 mV liegt.
Professor Mingxin Huang und Dr. Kaiping Yu. Bildnachweis: Die Universität Hongkong
Der Super-Edelstahl 254SMO beispielsweise ist ein Maßstab unter den Korrosionsschutzlegierungen auf Cr-Basis und weist eine hervorragende Lochfraßbeständigkeit in Meerwasser auf. Die transpassive Korrosion schränkt jedoch ihre Anwendung bei höheren Potentialen ein.
Mithilfe einer Strategie der „sequenziellen Doppelpassivierung“ entwickelte das Forschungsteam von Professor Huang das neuartige SS-H2 mit hervorragender Korrosionsbeständigkeit. Neben der Single Cr2Ö3-basierte Passivschicht bildet sich bei ~720 mV eine sekundäre Schicht auf Mn-Basis auf der vorhergehenden Schicht auf Cr-Basis. Der sequentielle Doppelpassivierungsmechanismus verhindert das SS-H2 von Korrosion in Chloridmedien bis zu einem ultrahohen Potential von 1700 mV. Die SS-H2 stellt einen grundlegenden Durchbruch gegenüber herkömmlichem Edelstahl dar.
Unerwartete Entdeckung und potenzielle Anwendungen
„Anfangs haben wir nicht daran geglaubt, weil die vorherrschende Meinung ist, dass Mn die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl beeinträchtigt. Die Mn-basierte Passivierung ist eine kontraintuitive Entdeckung, die mit dem aktuellen Wissen der Korrosionswissenschaft nicht erklärt werden kann. Als jedoch zahlreiche Ergebnisse auf atomarer Ebene präsentiert wurden, waren wir überzeugt. Abgesehen davon, dass wir überrascht sind, können wir es kaum erwarten, den Mechanismus auszunutzen“, sagte Dr. Kaiping Yu, der Erstautor des Artikels, dessen Doktorarbeit von Professor Huang betreut wird.
Von der ersten Entdeckung des innovativen Edelstahls über den Durchbruch im wissenschaftlichen Verständnis bis hin zur Vorbereitung der offiziellen Veröffentlichung und hoffentlich seiner industriellen Anwendung widmete das Team der Arbeit fast sechs Jahre.
„Anders als die derzeitige Korrosionsgemeinschaft, die sich hauptsächlich auf die Beständigkeit bei natürlichen Potenzialen konzentriert, sind wir auf die Entwicklung hochpotenzialbeständiger Legierungen spezialisiert. Unsere Strategie überwand die grundlegenden Einschränkungen von herkömmlichem Edelstahl und etablierte ein Paradigma dafür Legierung Entwicklung anwendbar bei hohen Potenzialen. Dieser Durchbruch ist aufregend und bringt neue Anwendungen.“ sagte Professor Huang.
Derzeit werden für Wasserelektrolyseure in entsalztem Meerwasser oder Säurelösungen teures Au- oder Pt-beschichtetes Ti für Strukturbauteile benötigt. Beispielsweise belaufen sich die Gesamtkosten eines 10-Megawatt-PEM-Elektrolyse-Tanksystems in der aktuellen Phase auf etwa 17,8 Millionen HK$, wobei die Strukturkomponenten bis zu 53 % der Gesamtkosten ausmachen. Der Durchbruch des Teams von Professor Huang ermöglicht es, diese teuren Strukturbauteile durch wirtschaftlicheren Stahl zu ersetzen. Schätzungsweise ist die Beschäftigung von SS-H2 Es wird erwartet, dass die Kosten für Strukturmaterialien um etwa das 40-fache gesenkt werden, was einen großen Vorteil für industrielle Anwendungen darstellt.
„Von experimentellen Materialien bis hin zu realen Produkten wie Netzen und Schäumen für Wasserelektrolyseure gibt es immer noch anspruchsvolle Aufgaben. Derzeit haben wir einen großen Schritt in Richtung Industrialisierung gemacht. In Zusammenarbeit mit einer Fabrik auf dem Festland wurden Tonnen von Draht auf SS-H2-Basis hergestellt. Wir machen Fortschritte beim Einsatz des wirtschaftlicheren SS-H2 bei der Wasserstoffproduktion aus erneuerbaren Quellen“, fügte Professor Huang hinzu.
Referenz: „Eine sequentielle Doppelpassivierungsstrategie für die Gestaltung von rostfreiem Stahl, der über der Wasseroxidation verwendet wird“ von Kaiping Yu, Shihui Feng, Chao Ding, Meng Gu, Peng Yu und Mingxin Huang, 19. August 2023, Materialien heute.
DOI: 10.1016/j.mattod.2023.07.022