科学家们开发了一种用于制氢的突破性不锈钢 SS-H2，与钛相比，它具有卓越的耐腐蚀性和成本效益。这项创新可以大大降低水电解槽的材料成本，为更实惠的可再生能源制氢铺平道路。以上是该团队开发的新型氢气不锈钢。图片来源：香港大学
由香港大学机械工程系黄明新教授领导的团队在不锈钢领域取得了重大进展。这项最近的创新重点是开发专为氢气应用而设计的不锈钢，称为 SS-H2。
这一成就是黄教授正在进行的“超级钢”项目的一部分，该项目此前在2021年创造了抗COVID-19不锈钢，并在2017年和2020年开发了超强和超坚韧的超级钢，取得了显着的里程碑。
该团队开发的新型钢具有很高的耐腐蚀性，使其能够应用于海水中的绿色氢气生产，而海水中的新型可持续解决方案仍在酝酿中。
新钢在盐水电解槽中的性能可与目前使用钛作为结构件从脱盐海水或酸中生产氢气的工业实践相媲美，而新钢的成本要便宜得多。
这一发现已发表在《今日材料》杂志上。研究成果目前正在多个国家申请专利，其中两项已获得授权。
革新耐腐蚀性
自一个世纪前被发现以来，不锈钢一直是广泛应用于腐蚀性环境的重要材料。铬是建立不锈钢耐腐蚀性的基本元素。钝化膜是通过铬（Cr）的氧化产生的，在自然环境中保护不锈钢。不幸的是，这种基于Cr的传统单一钝化机制已经阻止了不锈钢的进一步发展。由于稳定的Cr2O3进一步氧化成可溶性Cr（VI）物种，在~1000 mV（饱和甘汞电极，SCE）下，传统不锈钢不可避免地会发生跨被动腐蚀，这低于~1600 mV下水氧化所需的电位。
例如，254SMO超级不锈钢是Cr基防腐合金中的标杆，在海水中具有优异的抗点蚀性;然而，跨钝化腐蚀限制了其在更高电位下的应用。
黄教授的研究团队采用「顺序双重钝化」策略，研发出具有卓越耐腐蚀性的新型SS-H2。除了单个Cr2O3基钝化层外，在~720 mV的Cr基层上形成次级Mn基层。顺序双钝化机制可防止 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。
意外发现和潜在应用
“最初，我们不相信，因为普遍的观点是锰会损害不锈钢的耐腐蚀性。锰基钝化是一个违反直觉的发现，目前腐蚀科学的知识无法解释。然而，当许多原子级的结果被提出时，我们被说服了。除了惊讶之外，我们迫不及待地想利用这种机制，“该文章的第一作者俞开平博士说，他的博士学位由黄教授指导。
从最初发现创新不锈钢到实现科学认识的突破，再到最终为正式出版做准备，并希望其工业应用，该团队投入了近六年的时间进行这项工作。
“与目前主要关注自然电位电阻的腐蚀社区不同，我们专注于开发高电位电阻合金。我们的战略克服了传统不锈钢的根本局限性，并建立了适用于高潜力的合金开发范式。这一突破令人兴奋，并带来了新的应用。黄教授说。
目前，对于脱盐海水或酸溶液中的水电解槽，结构部件需要昂贵的Au或Pt涂层Ti。举例来说，现阶段一个10兆瓦的质子交换膜电解罐系统的总成本约为1,780万港元，其中结构部件占总费用的53%。黄教授团队取得的突破使得用更经济的钢材取代这些昂贵的结构部件成为可能。据估计，SS-H2的使用预计将使结构材料的成本降低约40倍，显示出工业应用的巨大前景。
“从实验材料到实际产品，如网状物和泡沫，对于水电解槽来说，手头仍然有具有挑战性的任务。目前，我们已经向工业化迈出了一大步。与内地工厂合作生产了数吨SS-H2线材。我们正朝着将更经济的SS-H2应用于可再生能源制氢的工作向前迈进。
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