Producția de hidrogen verde ar putea deveni mult mai ieftină din cauza unui detaliu de metalurgie. Un oțel inoxidabil dezvoltat la Universitatea din Hong Kong rezistă exact acolo unde inoxul obișnuit cedează — la tensiuni electrice mari, în apă plină de cloruri — și ar putea reduce de aproximativ 40 de ori costul componentelor structurale din electrolizoare.
Anunțul vine de la echipa profesorului Mingxin Huang, din Departamentul de Inginerie Mecanică al Universității din Hong Kong (HKU), și are o miză foarte concretă: înlocuirea titanului acoperit cu aur sau platină din electrolizoare cu un aliaj de zeci de ori mai ieftin. Rezultatul a fost publicat în revista Materials Today, într-un articol intitulat „A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation”.
De ce inoxul clasic nu poate intra în electrolizoare
Oțelul inoxidabil își datorează reputația unui strat protector subțire, format atunci când cromul din aliaj reacționează cu mediul înconjurător. Acea peliculă de oxid de crom, Cr2O3, blochează avansarea coroziunii — dar numai până la un punct.
Când tensiunea electrică urcă, stratul se oxidează mai departe și se transformă în specii solubile de Cr(VI). Suprafața intră în ceea ce metalurgii numesc coroziune transpasivă, iar protecția dispare. La oțelurile inoxidabile convenționale, fenomenul apare în jurul a 1000 mV, măsurat față de electrodul saturat de calomel (SCE), reperul standard folosit în electrochimie.
Problema este că oxidarea apei, reacția care stă la baza electrolizei, are nevoie de un potențial mult mai mare, de aproximativ 1600 mV. Diferența dintre cele două valori explică de ce inoxul a rămas până acum în afara aplicațiilor electrochimice de tensiune înaltă. Nici măcar 254SMO, un superoțel inoxidabil pe bază de crom considerat referință pentru rezistența la coroziune punctiformă în apă de mare, nu scapă de limitare: performanța lui scade odată ce potențialul crește suficient.
Al doilea strat protector, cel care „nu poate fi explicat”
Soluția găsită la HKU se numește pasivare duală secvențială. Peste pelicula clasică de oxid de crom, SS-H2 își construiește un al doilea strat de protecție, bazat pe mangan, care începe să se formeze în jurul a 720 mV. Împreună, cele două straturi mențin materialul stabil în medii cu cloruri până la 1700 mV — adică peste pragul necesar oxidării apei.
Partea neașteptată este chiar rolul manganului. În literatura de specialitate, elementul a fost tratat decenii la rând ca un factor care slăbește rezistența la coroziune a inoxului.
„Inițial nu am crezut, pentru că opinia dominantă este că manganul afectează rezistența la coroziune a oțelului inoxidabil. Pasivarea pe bază de mangan este o descoperire contraintuitivă, care nu poate fi explicată de cunoștințele actuale din știința coroziunii. Însă, când au fost prezentate numeroase rezultate la nivel atomic, am fost convinși. Dincolo de surpriză, nu putem aștepta să exploatăm mecanismul”, a declarat dr. Kaiping Yu, primul autor al studiului, doctorand coordonat de profesorul Huang, într-un comunicat al Universității din Hong Kong.
Huang își descrie strategia ca pe o ruptură față de direcția majoritară din domeniu.
„Diferit de comunitatea actuală a coroziunii, care se concentrează în principal pe rezistența la potențiale naturale, noi ne specializăm în dezvoltarea de aliaje rezistente la potențiale înalte. Strategia noastră a depășit limitarea fundamentală a oțelului inoxidabil convențional și a stabilit o paradigmă de dezvoltare a aliajelor aplicabilă la potențiale mari. Această descoperire este entuziasmantă și aduce noi aplicații”, a spus profesorul Mingxin Huang, potrivit aceluiași comunicat.
Șase ani de laborator și două brevete deja acordate
Proiectul a durat aproape șase ani, de la observarea comportamentului neobișnuit al oțelului până la explicarea lui la scară atomică și la pregătirea publicării. Echipa a depus cereri de brevet în mai multe țări, iar două dintre ele au fost deja acordate.
SS-H2 este cel mai recent rezultat al programului „Super Steel” coordonat de Huang. Aceeași echipă a prezentat în 2021 un oțel inoxidabil cu proprietăți antivirale împotriva SARS-CoV-2, iar în 2017 și 2020 variante de Super Steel remarcabile prin combinația de rezistență mecanică și tenacitate.
Cât costă un electrolizor de hidrogen verde
Aici stă miza economică a descoperirii. Electrolizoarele care lucrează cu apă de mare desalinizată sau cu soluții acide au nevoie astăzi de componente din titan acoperite cu aur sau platină, iar acestea înghit o parte serioasă din buget.
Potrivit cercetătorilor, un sistem de electroliză PEM de 10 megawați costă în prezent aproximativ 17,8 milioane de dolari hongkonghezi — circa 2,3 milioane de dolari americani la cursul actual. PEM este prescurtarea pentru membrană cu schimb de protoni, tehnologia în care apa este descompusă în hidrogen și oxigen printr-un sistem cu membrană alimentat electric. Componentele structurale pot reprezenta până la 53% din costul total al sistemului.
Înlocuirea lor cu SS-H2 ar reduce costul materialelor structurale de aproximativ 40 de ori, estimează autorii — un argument greu pentru producția industrială de hidrogen.
Apa de mare, ținta reală
Hidrogenul se obține prin electroliză, un proces în care electricitatea desface molecula de apă în hidrogen și oxigen. Când energia electrică vine din surse regenerabile, combustibilul rezultat este numit hidrogen verde. Problema apare la scară: apa dulce este o resursă limitată, iar cele mai bune amplasamente pentru parcuri eoliene și solare sunt adesea pe litoral.
De aceea electroliza directă a apei de mare este de mult un obiectiv de cercetare — și de aceea rezistența la cloruri contează atât de mult. Clorurile, abundente în apa mării, sunt agresive față de majoritatea metalelor și declanșează coroziune localizată chiar și în aliaje considerate performante. În testele descrise de echipa HKU, într-un electrolizor cu apă sărată, noul oțel a livrat performanțe comparabile cu ale componentelor structurale din titan folosite azi pentru producerea hidrogenului din apă de mare desalinizată sau din soluții acide, la un cost sensibil mai mic.
Instalațiile de desalinizare a apei de mare sunt astăzi pasul obligatoriu înainte de electroliză. Un oțel rezistent la cloruri ar putea simplifica lanțul de producție al hidrogenului verde. Foto: Calistemon / Wikimedia Commons, licență CC BY-SA 4.0.
De la sârmă la site și spume: ce urmează
Între un eșantion de laborator și o piesă montată într-un electrolizor comercial rămâne o distanță tehnologică considerabilă. Electrolizoarele au nevoie de site metalice și de spume poroase, geometrii dificile de obținut, nu de plăci simple.
„De la materialele experimentale la produse reale, precum site și spume pentru electrolizoarele de apă, mai avem sarcini dificile în față. În acest moment 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. Mergem înainte cu aplicarea SS-H2, mai economic, în producția de hidrogen din surse regenerabile”, a adăugat profesorul Huang.
Ce înseamnă asta pentru Europa și pentru România
Contextul explică entuziasmul. Strategia europeană pentru hidrogen și planul REPowerEU fixează ținte ambițioase pentru hidrogenul din surse regenerabile, iar costul echipamentelor rămâne principalul obstacol în calea proiectelor la scară mare. În aceeași logică se înscriu și eforturile de a reduce dependența de metale rare: platina, aurul și iridiul folosite în electrolizoarele PEM sunt scumpe și concentrate în puține state producătoare.
România are, la rândul ei, o strategie națională pentru hidrogen și mai multe proiecte finanțate din fonduri europene pentru electrolizoare industriale. Orice tehnologie care taie costul componentelor structurale se traduce direct în proiecte mai ușor de finanțat — inclusiv aici. Un aliaj mai ieftin nu rezolvă singur ecuația hidrogenului verde, în care prețul energiei electrice rămâne factorul dominant, dar mută o parte din cost dintr-o zonă rigidă într-una negociabilă.
Dacă SS-H2 trece testul fiabilității în electrolizoare comerciale, combinația dintre rezistența la coroziune și prețul redus îl poate transforma într-un material de infrastructură, nu doar într-o curiozitate de laborator.
Articole conexe pe GadgetReport
Vezi și: nanoreactorul care produce peroxid de hidrogen din lumina solară, motorul de avion cu emisii zero pregătit de Airbus și cuprul devenit resursă critică pentru centrele de date.
Surse: comunicatul oficial al Universității din Hong Kong și ScienceDaily. Studiul a apărut în revista Materials Today.
