Proboj u razvoju nerđajućeg čelika mogao bi da pomogne u rešavanju jednog od najvećih problema zelene energetske tranzicije – kako napraviti elektrolizere dovoljno otporne za rad sa morskom vodom, ali i dovoljno jeftine za masovnu proizvodnju zelenog vodonika.

Tim predvođen profesorom Mingšinom Huangom sa Katedre za mašinsko inženjerstvo HKU, Univerzitet u Pekingu, razvio je specijalni nerđajući čelik za proizvodnju vodonika, nazvan SS-H2. Novi materijal pokazao je izuzetnu otpornost na koroziju u uslovima u kojima klasični nerđajući čelik gubi zaštitna svojstva, zbog čega se smatra veoma perspektivnim za proizvodnju vodonika iz morske vode i druge zahtevne elektrolitičke sisteme.

Otkriće je objavljeno u časopisu Materials Today u studiji pod nazivom „A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation“, a predstavlja nastavak Huangovog dugogodišnjeg projekta razvoja „superčelika“. Isti istraživački program ranije je doveo do razvoja antibakterijskog čelika tokom pandemije kovida 2021. godine, kao i ultračvrstog „superčelika“ predstavljenog 2017. i 2020. godine.

Jeftiniji put ka zelenom vodoniku

Zeleni vodonik proizvodi se korišćenjem električne energije, po mogućstvu iz obnovljivih izvora, za razdvajanje vode na vodonik i kiseonik. Morska voda predstavlja posebno privlačan resurs jer je praktično neograničena, ali donosi i veliki problem – so, hloridni joni i agresivne hemijske reakcije veoma brzo uništavaju komponente elektrolizera.

Dosadašnja istraživanja elektrolize morske vode ukazuju na iste prepreke: koroziju, neželjene reakcije povezane sa hlorom, degradaciju katalizatora, stvaranje naslaga i ograničen vek trajanja sistema.

Upravo tu SS-H2 može da napravi razliku. Tim iz Hongkonga utvrdio je da novi čelik u elektrolizerima sa slanom vodom može da postigne performanse uporedive sa titanijumskim materijalima koji se danas koriste u industrijskoj proizvodnji vodonika iz desalinizovane vode ili kiselih rastvora. Ključna razlika je cena.

Titanijumske komponente obložene plemenitim metalima poput zlata ili platine izuzetno su skupe, dok je nerđajući čelik višestruko ekonomičnije rešenje.

Prema procenama istraživača, kod PEM sistema elektrolize snage 10 megavata ukupna cena postrojenja iznosila je oko 17,8 miliona hongkonških dolara, pri čemu je čak 53% troškova odlazilo na konstrukcione materijale. Zamena postojećih komponenti novim SS-H2 čelikom mogla bi da smanji troškove konstrukcionih materijala i do 40 puta.

Zašto običan nerđajući čelik ne može da izdrži

Nerđajući čelik koristi se više od jednog veka zahvaljujući sposobnosti da sam sebe štiti od korozije. Ključni element je hrom, koji oksidacijom stvara tanki zaštitni sloj na površini metala.

Međutim, taj zaštitni mehanizam ima ograničenje. Kod standardnog nerđajućeg čelika zaštitni sloj na bazi hroma počinje da se raspada pri visokim električnim potencijalima. Stabilni Cr2O3 može dodatno da oksidira u rastvorljive Cr(VI) forme, što izaziva tzv. transpasivnu koroziju na oko 1000 milivolti, znatno ispod približno 1600 milivolti potrebnih za oksidaciju vode.

Čak i specijalni 254SMO super-čelik, poznat po visokoj otpornosti na morsku vodu, ne može da izdrži ekstremne elektrohemijske uslove koji vladaju tokom proizvodnje vodonika.

Čelik koji stvara drugi zaštitni štit

Rešenje tima iz Hongkonga zasniva se na strategiji nazvanoj „sekvencijalna dvostruka pasivacija“. Umesto oslanjanja samo na standardni zaštitni sloj hrom-oksida, SS-H2 formira i drugi zaštitni sloj.

Prvi sloj čini klasična zaštita na bazi Cr2O3, dok se pri oko 720 milivolti formira dodatni sloj na bazi mangana. Taj drugi zaštitni štit omogućava čeliku da opstane u sredinama bogatim hloridima čak i pri veoma visokim potencijalima od 1700 milivolti.

Posebno zanimljivo je to što se mangan do sada uglavnom smatrao elementom koji smanjuje otpornost nerđajućeg čelika na koroziju.

„U početku nismo verovali rezultatima, jer je dominantno mišljenje da mangan pogoršava otpornost nerđajućeg čelika na koroziju. Pasivacija zasnovana na manganu predstavlja potpuno neočekivano otkriće koje se ne može objasniti postojećim znanjem iz oblasti korozije“, izjavio je dr Kaiping Ju, prvi autor rada.

Šest godina razvoja od otkrića do industrijske primene

Put od prvog eksperimenta do objavljivanja trajao je gotovo šest godina. Istraživači su prvo otkrili neobično ponašanje čelika, zatim razvili teorijsko objašnjenje, a potom krenuli ka patentiranju i industrijskoj primeni.

Profesor Huang navodi da se njihov pristup razlikuje od većine istraživanja u oblasti korozije, koja se uglavnom fokusiraju na otpornost pri prirodnim potencijalima.

„Naša strategija prevazišla je fundamentalna ograničenja konvencionalnog nerđajućeg čelika i otvorila novi pravac razvoja legura otpornih na visoke potencijale“, rekao je Huang.

Tehnologija je već izašla iz laboratorije. Tim je podneo patente u više zemalja, dok su dva patenta već odobrena. U saradnji sa fabrikom iz kontinentalne Kine proizvedene su i prve tone SS-H2 žice.

Zašto je ovo važno baš sada

Iako je studija objavljena još 2023. godine, problem koji rešava danas je još aktuelniji. Nova istraživanja elektrolize morske vode i dalje pokušavaju da pronađu materijale otporne na koroziju, dugotrajne elektrode i sisteme koji mogu da rade u realnim uslovima morske vode.

Najnoviji radovi istražuju zaštitne premaze i katalitičke slojeve na bazi nikla, gvožđa i platine, ali SS-H2 se izdvaja jer problem rešava na samom nivou legure, menjajući način na koji se čelik sam štiti od korozije.

Veliki potencijal za energetsku tranziciju

SS-H2 još nije spreman za masovnu komercijalnu primenu i istraživači priznaju da razvoj industrijskih proizvoda poput mreža i pena za elektrolizere zahteva dodatni inženjerski rad.

Ipak, potencijal je ogroman. Čelik koji može da izdrži ekstremne uslove rada sa morskom vodom, a pritom zameni skupe titanijumske komponente, mogao bi značajno da pojeftini proizvodnju zelenog vodonika i ubrza razvoj obnovljivih izvora energije.

U industriji u kojoj upravo cena i dugotrajnost često odlučuju da li neka tehnologija može da izađe iz laboratorije, novi „superčelik“ iz Hongkonga mogao bi da postane važan korak ka jeftinijoj i čistijoj proizvodnji vodonika u velikim razmerama.

Izvor: SD