Una rivoluzione nell'acciaio inossidabile per la produzione di idrogeno
Un team di ricercatori guidato dal Professor Mingxin Huang del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università di Hong Kong ha compiuto un passo avanti significativo nel campo dell'acciaio inossidabile. Questa innovazione si concentra sullo sviluppo di un acciaio inossidabile progettato per applicazioni legate all'idrogeno, noto come SS-H2.
Questo risultato fa parte del progetto 'Super Steel' del Professor Huang, che in precedenza aveva raggiunto traguardi notevoli con la creazione di acciaio inossidabile anti-COVID-19 nel 2021 e lo sviluppo di Super Steel ultra-resistente e ultra-tenace nel 2017 e 2020.
Il nuovo acciaio sviluppato dal team mostra un'elevata resistenza alla corrosione, rendendolo potenzialmente applicabile per la produzione di idrogeno verde dall'acqua di mare, dove una soluzione sostenibile è ancora in fase di sviluppo.
Le prestazioni del nuovo acciaio in un elettrolizzatore ad acqua salata sono paragonabili alla pratica industriale attuale che utilizza il Titanio come parti strutturali per produrre idrogeno da acqua di mare desalinizzata o da acidi, mentre il costo del nuovo acciaio è molto più economico.
La scoperta è stata pubblicata sulla rivista Materials Today. I risultati della ricerca sono attualmente in fase di brevettazione in più paesi, e due di essi sono già stati autorizzati.
Rivoluzionare la resistenza alla corrosione
Da quando è stato scoperto un secolo fa, l'acciaio inossidabile è sempre stato un materiale importante ampiamente utilizzato in ambienti corrosivi. Il Cromo è un elemento essenziale per stabilire la resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile. Un film passivo si genera attraverso l'ossidazione del Cromo (Cr) e protegge l'acciaio inossidabile negli ambienti naturali. Sfortunatamente, questo meccanismo di passivazione convenzionale basato sul Cr ha impedito ulteriori avanzamenti dell'acciaio inossidabile. A causa dell'ulteriore ossidazione del stabile Cr2O3 in solubile Cr(VI), la corrosione transpassiva si verifica inevitabilmente nell'acciaio inossidabile convenzionale a ~1000 mV (elettrodo calomelano saturo, SCE), che è al di sotto del potenziale richiesto per l'ossidazione dell'acqua a ~1600 mV.
Ad esempio, l'acciaio inossidabile super 254SMO, che è un punto di riferimento tra le leghe anti-corrosione a base di Cr, ha una resistenza superiore alla corrosione da pitting in acqua di mare; tuttavia, la corrosione transpassiva limita la sua applicazione a potenziali più elevati.
Utilizzando una strategia di "doppia passivazione sequenziale", il team di ricerca del Professor Huang ha sviluppato il nuovo SS-H2 con una resistenza superiore alla corrosione. Oltre al singolo strato passivo a base di Cr2O3, si forma un secondo strato a base di Mn sullo strato precedente a ~720 mV. Il meccanismo di doppia passivazione sequenziale impedisce la corrosione dell'SS-H2 in media clorurati fino a un potenziale ultra-elevato di 1700 mV. L'SS-H2 rappresenta un'avanzamento fondamentale rispetto all'acciaio inossidabile convenzionale.
Scoperta inaspettata e potenziali applicazioni
"Inizialmente non ci credevamo perché l'opinione prevalente è che il Mn comprometta la resistenza alla corrosione dell'acciaio inossidabile. La passivazione a base di Mn è una scoperta controintuitiva, che non può essere spiegata con le conoscenze attuali nella scienza della corrosione. Tuttavia, quando sono stati presentati numerosi risultati a livello atomico, siamo stati convinti. Oltre ad essere sorpresi, non vediamo l'ora di sfruttare il meccanismo," ha detto il Dr. Kaiping Yu, primo autore dell'articolo, il cui dottorato è supervisionato dal Professor Huang.
Dalla scoperta iniziale dell'acciaio inossidabile innovativo al raggiungimento di una svolta nella comprensione scientifica, e infine alla preparazione per la pubblicazione ufficiale e sperabilmente la sua applicazione industriale, il team ha dedicato quasi sei anni al lavoro.
"A differenza dell'attuale scienza della corrosione, che si concentra principalmente sulla resistenza a potenziali naturali, noi ci specializziamo nello sviluppo di leghe resistenti ad alti potenziali. La nostra strategia ha superato la limitazione fondamentale dell'acciaio inossidabile convenzionale e ha stabilito un paradigma per lo sviluppo di leghe applicabili ad alti potenziali. Questa svolta è entusiasmante e apre nuove applicazioni," ha detto il Professor Huang.
Attualmente, per gli elettrolizzatori ad acqua in acqua di mare desalinizzata o soluzioni acide, sono necessari componenti strutturali costosi rivestiti di Au o Pt su Ti. Ad esempio, il costo totale di un sistema di elettrolisi PEM da 10 megawatt nella sua fase attuale è di circa 17,8 milioni di dollari di Hong Kong, con i componenti strutturali che contribuiscono fino al 53% della spesa complessiva. La svolta compiuta dal team del Professor Huang rende possibile sostituire questi costosi componenti strutturali con acciaio più economico. Si stima che l'impiego dell'SS-H2 possa ridurre il costo del materiale strutturale di circa 40 volte, dimostrando un grande potenziale di applicazioni industriali.
"Dai materiali sperimentali ai prodotti reali, come reti e schiume, per gli elettrolizzatori ad acqua, ci sono ancora compiti impegnativi da affrontare. Attualmente, abbiamo fatto un grande passo verso l'industrializzazione. Tonnellate di filo a base di SS-H2 sono state prodotte in collaborazione con una fabbrica della Cina continentale. Stiamo andando avanti nell'applicare l'SS-H2 più economico nella produzione di idrogeno da fonti rinnovabili," ha aggiunto il Professor Huang.