Bij het uitbreiden van de productiecapaciteit voor groene waterstof ligt het echte knelpunt vaak niet in de energievoorziening, maar in de belangrijkste materialen. Vooral bij waterstofproductieapparatuur voor zeewaterelektrolyse is de werkomgeving zowel hoogspannings- als zeer corrosief, waardoor het voor de meeste metalen moeilijk is om gedurende lange tijd stabiel te blijven functioneren. Ze zijn gedwongen te vertrouwen op dure titaniumlegeringen en edelmetaalcoatings, wat de systeemkosten opdrijft en grootschalige implementatie beperkt.Een onderzoeksteam van de Universiteit van Hong Kong probeert deze situatie te doorbreken. Het team onder leiding van professor Huang Mingxin heeft een nieuwe roestvrijstalen legering SS-H2 ontwikkeld die lange tijd stabiel kan werken in een zware elektrolytische omgeving, en beweert dat deze naar verwachting bestaande dure componenten zal vervangen.

Dit onderzoek, gepubliceerd in het tijdschrift Materials Today, is een van de nieuwste ontwikkelingen in het langetermijnonderzoeksproject "Super Steel" van het team van Huang Mingxin, dat eerder ultrasterke legeringen en roestvrijstalen materialen met antibacteriële eigenschappen heeft gelanceerd. Het ontwerpdoel van SS-H2 is om stabiel te blijven in het potentiële bereik waar traditioneel roestvrij staal faalt, en is vooral geschikt voor elektrolyse-apparaten die rechtstreeks zeewater gebruiken. Onderzoekers wezen erop dat het huidige kernprobleem is dat de corrosieweerstand van roestvrij staal voornamelijk afhankelijk is van de dichte oxidefilm gevormd door chroom. Dit mechanisme werkt goed in algemene industriële en maritieme omgevingen, maar zal volledig kapot gaan onder elektrolyseomstandigheden met hoog potentieel.

Experimenten tonen aan dat wanneer de potentiaal stijgt tot ongeveer 1000 mV (ten opzichte van een verzadigde calomelelektrode), de chroomoxidefilm op het oppervlak van traditioneel roestvrij staal zal beginnen te ontbinden, waardoor oplosbare soorten ontstaan ​​en ernstige corrosie ontstaat, terwijl voor efficiënte wateroxidatiereacties gewoonlijk een potentiaal van ongeveer 1600 mV nodig is. Zelfs de hoogwaardige legering 254SMO, die is ontworpen voor ruwe zeewateromgevingen, kan niet stabiel blijven bij zulke hoge potenties. Daarom kunnen veel huidige elektrolysesystemen alleen structurele onderdelen op titaniumbasis gebruiken, aangevuld met edelmetaalcoatings zoals platina en goud. Hoewel betrouwbaar, verhogen ze de kosten van apparatuur aanzienlijk, vooral na opschaling naar industriële schaal.

Het idee van SS-H2 is om de manier te veranderen waarop metaal zichzelf beschermt. Bij conventioneel roestvast staal wordt de bescherming voornamelijk geboden door een enkele chroomoxidefilm; in SS-H2 vormt het materiaal tijdens bedrijf achtereenvolgens twee beschermende lagen: eerst een conventionele op chroom gebaseerde oxidefilm, en vervolgens bij een hogere potentiaal (ongeveer 720 mV) wordt daarboven een op mangaan gebaseerde beschermende laag gevormd. Het is deze tweede beschermingslaag die ervoor zorgt dat het materiaal stabiel blijft tot ongeveer 1.700 mV, waardoor het spanningsbereik wordt gedekt dat nodig is voor watersplitsing.

Het is vermeldenswaard dat de introductie van mangaan zelf nogal onverwacht is. In het traditionele denken wordt vaak gedacht dat mangaan de corrosieweerstand van roestvrij staal verzwakt in plaats van verbetert. Dr. Yu Kaiping, de eerste auteur van het artikel, herinnerde zich dat het team het aanvankelijk moeilijk vond om te geloven dat Mn zou kunnen helpen bij het vormen van een stabiele passivatielaag, omdat dit in strijd was met de bestaande kennis van de corrosiewetenschap. Nadat echter een groot aantal experimentele resultaten op atomaire schaal waren gepresenteerd, bevestigden ze uiteindelijk dit "contra-intuïtieve" op Mn gebaseerde passivatiefenomeen.

Als dergelijke materialen buiten het laboratorium presteren zoals verwacht, kan de economische impact aanzienlijk zijn. Het onderzoeksteam gebruikte een PEM-elektrolysesysteem van 10 MW als voorbeeld om de kostenstructuur te schatten: structurele materialen vertegenwoordigen een groot deel van de totale kosten, ongeveer HK $ 17,8 miljoen, waarvan maar liefst 53% rechtstreeks verband houdt met deze componenten. Op basis hiervan voorspelt het team dat als SS-H2 wordt gebruikt om bestaande op titanium gebaseerde materialen te vervangen, de kosten van structurele materialen naar verwachting met ongeveer 40 keer zullen worden verlaagd, waardoor de totale systeemkosten aanzienlijk zullen worden verlaagd.

Dit werk weerspiegelt ook veranderingen in het ontwerpdenken van corrosiebestendige materialen. Huang Mingxin wees erop dat traditioneel corrosieonderzoek zich meer richt op de prestaties van materialen bij "natuurlijk potentieel", terwijl hun strategie erop gericht is om specifiek legeringen te ontwikkelen die stabiel zijn bij hoge potentiëlen. Door het legeringssysteem opnieuw te ontwerpen om een ​​nieuw beschermingsmechanisme te vormen bij gebruik met een hoog potentieel, gelooft het team dat het de "potentiële bovengrens" van traditioneel roestvrij staal heeft doorbroken en een nieuw paradigma heeft geboden voor de ontwikkeling van legeringen voor omgevingen met een hoog potentieel.

Momenteel heeft dit onderzoek de vroege experimentele fase verlaten. In meerdere landen zijn relevante patenten aangevraagd, waarvan er twee zijn verleend toen het onderzoek werd aangekondigd. Het onderzoeksteam is ook gaan samenwerken met een fabriek op het vasteland van China om SS-H2-draad te produceren, hoewel verdere technische ontwikkeling en procesoptimalisatie nodig zijn om er gaas- of schuimstructuren van te maken die geschikt zijn voor elektrolyseapparatuur. Problemen zoals corrosie, chloorgerelateerde nevenreacties, degradatie van katalysatoren en een beperkte levensduur van het systeem blijven overheersend op het gebied van zeewaterelektrolyse, en veel onderzoek heeft zich gericht op het toevoegen van coatings of oppervlaktebehandelingen aan traditionele roestvrijstalen oppervlakken om de duurzaamheid te verbeteren.

Anders dan bij deze paden, vertrekt SS-H2 van het materiaal zelf en laat het materiaal "spontaan" een beschermende laag vormen tijdens het werkproces door de legeringssamenstelling en het elektrochemisch gedrag te veranderen, in plaats van achteraf extra coatings toe te voegen. Dit endogene beschermingsmechanisme kan mogelijk een hoge duurzaamheid nastreven, terwijl rekening wordt gehouden met kostenbeheersing, waardoor toekomstige apparaten voor de productie van waterstof door elektrolyse van zeewater een grotere kans krijgen om een ​​plaats in te nemen in grootschalige commerciële inzet. De onderzoekers benadrukten echter ook dat het materiaal zich nog in de beginfase van de industrialisatie bevindt en dat de levensduur en prestaties op lange termijn onder reële bedrijfsomstandigheden nog moeten worden geverifieerd. Deze richting laat echter zien dat het oplossen van de kosten- en duurzaamheidsproblemen van groene waterstof ook kan afhangen van het opnieuw bedenken van ‘basismaterialen’ in plaats van alleen maar verbeteringen op het niveau van het systeemontwerp.