Прорив у галузі нержавіючої сталі, розроблений у Гонконзькому університеті (HKU), може допомогти вирішити одну з найбільших проблем, що стоять перед екологічно чистим воднем: як створювати електролізери, досить міцні для роботи в морській воді, і водночас досить дешеві для великомасштабного виробництва чистої енергії.
Під керівництвом професора Мінсіня Хуана з кафедри машинобудування HKU команда розробила спеціальну нержавіючу сталь для виробництва водню (SS-H2). Цей матеріал стійкий до корозії в умовах, які зазвичай перевищують межі можливостей нержавіючої сталі, що робить його перспективним кандидатом для видобутку водню з морської води та інших агресивних середовищ електролізерів.
Відкриття, про яке повідомляється в журналі Materials Today у дослідженні «Стратегія послідовної подвійної пасивації для проєктування нержавіючої сталі, що використовується у вищому окисненні водою», ґрунтується на багаторічному проєкті Хуана «Суперсталь».
Дешевша дорога до екологічно чистого водню
Екологічно чистий водень одержують за допомогою електрики, в ідеалі з відновлюваних джерел, для розщеплення води на водень та кисень. Морська вода є особливо привабливою сировиною, оскільки вона поширена, але вона створює серйозну проблему з матеріалами: сіль, хлорид-іони, побічні реакції та корозія можуть швидко пошкодити компоненти електролізера.
Недавні огляди прямого електролізу морської води продовжують наголошувати на тій же основній проблемі. Технологія може забезпечити стійкіший шлях до водню, але корозія, побічні реакції, пов'язані з хлором, деградація каталізатора, опади та обмежена довговічність залишаються основними перешкодами для комерційного використання.
Саме тут SS-H2 може мати значення. В електролізері на основі солоної води команда з Гонконзького університету виявила, що нова сталь може працювати порівняно з конструкційними матеріалами на основі титану, які використовуються в сучасній промисловій практиці для виробництва водню з морської води, що знесолена, або кислоти. Різниця полягає у вартості. Деталі з титану, вкриті дорогоцінними металами, такими як золото або платина, коштують дорого, тоді як нержавіюча сталь набагато економніша.
Загальна вартість системи електролізу з протонообмінною мембраною потужністю 10 мегаватів на момент публікації звіту Гонконзького університету оцінювалася приблизно в 17,8 млн гонконзьких доларів, при цьому на структурні компоненти припадало до 53% цих витрат. За оцінками групи дослідників, заміна цих дорогих конструкційних матеріалів на нержавіючу сталь SS-H2 може знизити вартість конструкційних матеріалів приблизно в 40 разів.
Чому звичайна нержавіюча сталь виходить з ладу
Нержавіюча сталь використовується в агресивних середовищах вже більше століття, тому що вона має самозахисні властивості. Ключовим компонентом є хром. При окисненні хрому (Cr) утворюється тонка пасивна плівка, яка захищає сталь від пошкоджень.
Але ця знайома система захисту має межу. У звичайній нержавіючій сталі захисний шар на основі хрому може руйнуватися при високих електричних потенціалах. Стабільний Cr2O3 може додатково окиснюватися до розчинних сполук Cr(VI), викликаючи транспасивну корозію при напрузі близько 1000 мВ (насичений каломельний електрод, SCE). Це значно нижче ~1600 мВ, необхідних для окиснення води.
Навіть супернержавіюча сталь 254SMO, еталонний сплав на основі хрому, відомий своєю високою стійкістю до піттингової корозії в морській воді, стикається з цією високою межею напруги. Вона може добре працювати у звичайних морських умовах, але екстремальне електрохімічне середовище виробництва водню є іншою проблемою.
Сталь, що створює другий захисний шар
Відповідь команди з Гонконзького університету полягала у стратегії, яка називається «послідовною подвійною пасивацією». Замість покладатися тільки на звичайний бар'єр з оксиду хрому, SS-H2 утворює другий захисний шар.
Перший шар – це добре відома пасивна плівка на основі Cr2O3. Потім, при напрузі близько ~720 мВ поверх шару на основі хрому утворюється шар на основі марганцю. Цей другий захисний шар допомагає захистити сталь у середовищах, що містять хлориди, при надвисокому потенціалі до 1700 мВ.
Ось що робить відкриття таким винятковим. Марганець зазвичай не розглядається як друг нержавіючої сталі щодо корозійної стійкості. Насправді переважала думка, що марганець послаблює її.
"Спочатку ми не повірили цьому, оскільки переважає думка, що марганець погіршує корозійну стійкість нержавіючої сталі. Пасивація на основі марганцю - це нетривіальне відкриття, яке не можна пояснити сучасними знаннями в галузі корозійної науки. Однак, коли було представлено численні результати на атомному рівні, ми переконалися. Нас це не тільки здивувало, а й змусило з нетерпінням чекати на можливість вивчити цей механізм", — сказав доктор Кайпін Ю, головний автор статті.
Шестирічний шлях від несподіванки до практичного застосування
Шлях від першого спостереження до публікації був не швидким. Команда витратила майже шість років на те, щоб пройти шлях від початкового відкриття незвичайної нержавіючої сталі до глибшого наукового пояснення, а потім до публікації та потенційного промислового застосування.
"На відміну від нинішньої спільноти дослідників корозії, яка здебільшого фокусується на опорі за природних потенціалів, ми спеціалізуємося на розробці високопотенційно-стійких сплавів. Наша стратегія подолала фундаментальне обмеження звичайної нержавіючої сталі та створила парадигму розробки сплавів, які застосовуються при високих потенціалах. Цей прорив захоплює та відкриває нові можливості", - сказав професор Хуан.
Робота також вийшла за межі лабораторії. Результати досліджень були представлені на патенти у кількох країнах, і на момент оголошення результатів у Гонконзькому університеті вже було отримано дозволи на два патенти. Команда також повідомила про виробництво тонн дроту на основі SS-H2 на заводі у материковому Китаї.
"Від експериментальних матеріалів до реальних продуктів, таких як сітки та пінопласти для електролізерів води, як і раніше, залишаються складним завданням. В цей час ми зробили великий крок до індустріалізації. У співпраці із заводом з материкового Китаю було вироблено тонни дроту на основі SS-H2. Ми просуваємося вперед у застосуванні більш економічного SS-H2 для виробництва водню із відновлюваних джерел", - додав професор Хуан.
Чому час, як і раніше, має значення
Хоча дослідження SS-H2 було опубліковано у 2023 році, його основна проблема стала ще більш актуальною. Нові дослідження електролізу морської води продовжують фокусуватися на тих же вузьких місцях: корозійностійкі матеріали, довговічні електроди, пригнічення хлору та конструкції систем, здатних витримувати вплив реальної морської води, а не ідеальні лабораторні рішення. В огляді Nature Reviews Materials за 2025 рік прямий електроліз морської води був описаний як перспективний метод, але його розвиток, як і раніше, стримують корозія, побічні реакції, осадження металів та обмежений термін служби.
В інших недавніх роботах досліджувалися електроди на основі нержавіючої сталі із захисними каталітичними шарами, включаючи покриття на основі NiFe та атомні кластери Pt, для підвищення довговічності у природній морській воді. Дослідники також повідомляли про стратегії створення корозійностійких анодів на основі підкладок з нержавіючої сталі, демонструючи, що нержавіюча сталь залишається одним з основних напрямків у зусиллях підвищення практичності електролізу морської води.
Це нове дослідження не замінює відкриття SS-H2. Натомість воно підтверджує важливість підходу команди з Гонконзького університету. У цій галузі все ще ведеться пошук матеріалів, здатних витримувати суворе поєднання хімічного складу солоної води, високої напруги та промислових умов експлуатації. SS-H2 виділяється тим, що розв'язує проблему не тільки за допомогою покриття або каталізатора, а й за допомогою нової стратегії проєктування сплаву, яка змінює спосіб захисту нержавіючої сталі.
Прорив у галузі сталі з потенціалом чистої енергії
SS-H2 поки що не є готовим рішенням для водневої економіки. Команда визнала, що перетворення експериментальних матеріалів на реальні електролізерні продукти, включаючи сітки та піни, як і раніше, вимагає складної інженерної роботи.
Проте перспективи очевидні. Нержавіюча сталь, здатна витримувати високу напругу в морській воді та замінювати дорогі компоненти на основі титану, може зробити виробництво водню дешевшим, масштабованим та простим у поєднанні з відновлюваними джерелами енергії.
В області, де вартість та довговічність часто визначають, чи зможе технологія вийти за межі лабораторії, сталь, що створює власний другий захист, може стати не просто несподіванкою у матеріалознавстві. Вона може стати практичним кроком до чистішого водню у промислових масштабах.
