O descoperire revoluționară în domeniul oțelului inoxidabil, realizată de Universitatea din Hong Kong (HKU), ar putea contribui la rezolvarea uneia dintre cele mai mari probleme cu care se confruntă hidrogenul verde: cum să construiești electrolizoare suficient de rezistente pentru apa de mare, dar suficient de ieftine pentru o energie curată la scară largă.
Echipa, condusă de profesorul Mingxin Huang de la Departamentul de Inginerie Mecanică al HKU, a dezvoltat un oțel inoxidabil special pentru producția de hidrogen (SS-H2). Materialul rezistă coroziunii în condiții care, în mod normal, ar depăși limitele oțelului inoxidabil, făcându-l un candidat promițător pentru producerea de hidrogen din apa de mare și alte medii de electroliză dure.
Descoperirea, prezentată în Materials Today în studiul "O strategie secvențială de dublă pasivare pentru proiectarea oțelului inoxidabil utilizat deasupra oxidării apei", se bazează pe proiectul de lungă durată "Super Steel" al lui Huang. Același program de cercetare a produs anterior oțel inoxidabil anti-COVID-19 în 2021, împreună cu Super Steel ultra-puternic și ultra-rezistent în 2017 și 2020.
Hidrogenul verde este produs prin utilizarea electricității, ideal din surse regenerabile, pentru a scinda apa în hidrogen și oxigen. Apa de mare este o materie primă deosebit de tentantă, deoarece este abundentă, dar aduce o problemă serioasă de materiale: sarea, ionii de clorură, reacțiile secundare și coroziunea pot deteriora rapid componentele electrolizoarelor. Recenzii recente ale electrolizei directe a apei de mare continuă să evidențieze aceeași provocare de bază. Tehnologia ar putea oferi o rută mai durabilă către hidrogen, dar coroziunea, reacțiile secundare legate de clor, degradarea catalizatorului, precipitatele și durabilitatea limitată pe termen lung rămân obstacole majore în calea utilizării comerciale.
Aici intervine SS-H2. Într-un electrolizor cu apă sărată, echipa HKU a constatat că noul oțel se poate comporta comparabil cu materialele structurale pe bază de titan utilizate în practica industrială actuală pentru producția de hidrogen din apă de mare desalinizată sau acid. Diferența este costul. Piesele din titan acoperite cu metale prețioase, cum ar fi aurul sau platina, sunt scumpe, în timp ce oțelul inoxidabil este mult mai economic. Pentru un sistem de electroliză PEM de 10 megawați, costul total la momentul raportului HKU a fost estimat la aproximativ 17,8 milioane HK$, componentele structurale reprezentând până la 53% din această cheltuială. Conform estimărilor echipei, înlocuirea acestor materiale structurale costisitoare cu SS-H2 ar putea reduce costul materialului structural de aproximativ 40 de ori.
Oțelul inoxidabil este utilizat de mai bine de un secol în medii corozive, deoarece se protejează singur. Ingredientul cheie este cromul. Când cromul (Cr) se oxidează, acesta creează o peliculă pasivă subțire care protejează oțelul de daune. Dar acest sistem familiar de protecție are un plafon încorporat. În oțelul inoxidabil convențional, stratul protector pe bază de crom se poate deteriora la potențiale electrice mari. Cr2O3 stabil poate fi oxidat în continuare în specii solubile de Cr(VI), cauzând coroziune transpasivă la aproximativ ~1000 mV (electrod de calomel saturat, SCE). Aceasta este cu mult sub ~1600 mV necesari pentru oxidarea apei. Chiar și oțelul super inoxidabil 254SMO, un aliaj de referință pe bază de crom, cunoscut pentru rezistența puternică la pitting în apa de mare, se confruntă cu această limită de tensiune înaltă. Poate funcționa bine în medii marine obișnuite, dar mediul electrochimic extrem al producției de hidrogen este o provocare diferită.
Răspunsul echipei HKU a fost o strategie numită "dublă pasivare secvențială". În loc să se bazeze doar pe bariera obișnuită de oxid de crom, SS-H2 formează un al doilea strat protector. Primul strat este pelicula pasivă familiară pe bază de Cr2O3. Apoi, la aproximativ ~720 mV, se formează un strat pe bază de mangan deasupra stratului pe bază de crom. Acest al doilea scut ajută la protejarea oțelului în medii care conțin clorură până la un potențial ultra-înalt de 1700 mV.
Acesta este lucrul care face descoperirea atât de izbitoare. Manganul nu este, de obicei, considerat un prieten al rezistenței la coroziune a oțelului inoxidabil. De fapt, opinia dominantă a fost că manganul îl slăbește. "Inițial, nu am crezut pentru că opinia dominantă este că Mn afectează rezistența la coroziune a oțelului inoxidabil. Pasivarea pe bază de Mn este o descoperire contra-intuitivă, care nu poate fi explicată de cunoștințele actuale din știința coroziunii. Cu toate acestea, când au fost prezentate numeroase rezultate la nivel atomic, am fost convinși. Dincolo de a fi surprinși, abia așteptăm să exploatăm mecanismul", a declarat Dr. Kaiping Yu, primul autor al articolului, al cărui doctorat este supervizat de profesorul Huang.
Calea de la prima observație la publicare nu a fost rapidă. Echipa a petrecut aproape șase ani trecând de la descoperirea inițială a oțelului inoxidabil neobișnuit la explicația științifică mai profundă, apoi spre publicare și potențiala utilizare industrială. "Spre deosebire de comunitatea actuală de coroziune, care se concentrează în principal pe rezistența la potențiale naturale, noi suntem specializați în dezvoltarea de aliaje rezistente la potențial înalt. Strategia noastră a depășit limitarea fundamentală a oțelului inoxidabil convențional și a stabilit o paradigmă pentru dezvoltarea aliajelor aplicabilă la potențiale înalte. Această descoperire este interesantă și aduce noi aplicații", a spus profesorul Huang.
Lucrarea a depășit, de asemenea, laboratorul. Realizările de cercetare au fost depuse pentru brevete în mai multe țări, iar două brevete primiseră deja autorizație la momentul anunțului HKU. Echipa a raportat, de asemenea, că tone de sârmă pe bază de SS-H2 au fost produse cu o fabrică din China continentală. "De la materiale experimentale la produse reale, cum ar fi plase și spume, pentru electrolizoarele de apă, există încă sarcini dificile la îndemână. În prezent, am făcut un pas mare spre industrializare. Tone de sârmă pe bază de SS-H2 au fost produse în colaborare cu o fabrică din China continentală. Ne îndreptăm spre aplicarea SS-H2 mai economic în producția de hidrogen din surse regenerabile", a adăugat profesorul Huang.
Deși studiul SS-H2 a fost publicat în 2023, problema sa de bază a devenit doar mai relevantă. Cercetări mai noi privind electroliza apei de mare continuă să se concentreze pe aceleași blocaje: materiale rezistente la coroziune, electrozi de lungă durată, suprimarea clorului și proiecte de sistem care pot supraviețui apei de mare reale, mai degrabă decât soluțiilor ideale de laborator. O recenzie din 2025 Nature Reviews Materials a descris electroliza directă a apei de mare ca fiind promițătoare, dar încă reținută de coroziune, reacții secundare, precipitate metalice și durată de viață limitată. Alte lucrări recente au explorat electrozi pe bază de oțel inoxidabil cu straturi catalitice protectoare, inclusiv acoperiri pe bază de NiFe și grupuri atomice Pt, pentru a îmbunătăți durabilitatea în apa de mare naturală. Cercetătorii au raportat, de asemenea, strategii de anozi rezistente la coroziune, construite pe substraturi de oțel inoxidabil, arătând că oțelul inoxidabil rămâne un obiectiv major în efortul de a face electroliza apei de mare mai practică.
Această cercetare mai nouă nu înlocuiește descoperirea SS-H2. În schimb, ea consolidează de ce abordarea echipei HKU este importantă. Domeniul caută încă materiale care să poată supraviețui amestecului pedepsitor de chimie a apei sărate, tensiune înaltă și cerințe industriale de funcționare. SS-H2 se remarcă prin faptul că atacă problema nu doar cu un strat sau un catalizator, ci cu o nouă strategie de proiectare a aliajului care schimbă modul în care oțelul inoxidabil se protejează singur.
SS-H2 nu este încă o soluție plug and play pentru economia hidrogenului. Echipa a recunoscut că transformarea materialelor experimentale în produse reale pentru electrolizoare, inclusiv plase și spume, implică încă o muncă dificilă de inginerie. Chiar și așa, promisiunea este clară. Un oțel inoxidabil care poate rezista la condiții de apă de mare de înaltă tensiune, în timp ce înlocuiește componentele costisitoare pe bază de titan, ar putea face producția de hidrogen mai ieftină, mai scalabilă și mai ușor de asociat cu energia regenerabilă. Pentru un domeniu în care costul și durabilitatea decid adesea dacă o tehnologie poate părăsi laboratorul, un oțel care își construiește propriul scut secundar poate fi mai mult decât o surpriză a științei materialelor. Ar putea deveni un pas practic către un hidrogen mai curat la scară industrială.