香港大学科学家研发出制氢专用不锈钢SS-H2 大幅降低水电解槽的材料成本

由香港大学机械工程系黄明欣教授领导的团队在不锈钢领域取得了重大进展。这项最新创新的重点是开发专为氢气应用而设计的不锈钢，即 SS-H2。这一成果是黄教授正在进行的"超级钢"项目的一部分，该项目曾在2021年创造出抗COVID-19不锈钢，并在2017年和2020年开发出超强、超韧超级钢，取得了显著的阶段性成果。

科学家们开发出了一种突破性的制氢用不锈钢 SS-H2，与钛相比，它具有卓越的耐腐蚀性和成本效益。这项创新可大幅降低水电解槽的材料成本，为利用可再生资源生产价格更低廉的氢气铺平道路。上图为研究小组开发的新型氢用不锈钢。资料来源：香港大学

该团队开发的新钢材具有很强的耐腐蚀性，因此有可能应用于从海水中生产绿色氢气，而这种新型的可持续解决方案仍在酝酿之中。

新钢在盐水电解槽中的性能与目前使用钛作为结构件从淡化海水或酸中制氢的工业做法相当，而新钢的成本却便宜得多。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，其中两项已经获得授权。

耐腐蚀性的革命性进步

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。铬是确保不锈钢耐腐蚀性的重要元素。通过铬（Cr）的氧化作用产生的被动膜可在自然环境中保护不锈钢。遗憾的是，这种基于铬的传统单一钝化机制阻碍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六价铬，在约 1000 mV 的电压下（饱和甘汞电极，SCE），传统不锈钢不可避免地会发生横向被动腐蚀，而这一电压低于约 1600 mV 的水氧化所需的电位。

黄明欣教授和余开平博士。资料来源：香港大学

例如，254SMO 超级不锈钢是铬基防腐蚀合金中的标杆，在海水中具有卓越的抗点蚀能力；然而，转相腐蚀限制了它在较高电位下的应用。

黄教授的研究团队采用"顺序双钝化"策略，开发出了具有优异耐腐蚀性能的新型 SS-H2。除了单一的以 Cr2O3 为基底的被动层外，在 ~720 mV 时还会在前一层以 Cr 为基底的被动层上形成第二层以 Mn 为基底的被动层。这种连续的双重钝化机制可防止 SS-H2 在氯化物介质中腐蚀至 1700 mV 的超高电位。与传统不锈钢相比，SS-H2 实现了根本性的突破。

意外发现和潜在应用

"起初，我们并不相信，因为普遍认为锰会损害不锈钢的耐腐蚀性。锰基钝化是一个反直觉的发现，无法用现有的腐蚀科学知识来解释。然而，当大量原子级的结果呈现在我们面前时，我们被说服了。除了惊讶，我们还迫不及待地想利用这一机理，"文章第一作者、黄教授指导的博士生余凯平博士说。

从最初发现这种创新不锈钢，到实现科学认识上的突破，再到最终准备正式发表并有望实现工业应用，团队为这项工作投入了近六年的时间。

"与目前腐蚀界主要关注自然电位下的耐腐蚀性不同，我们专注于开发高电位耐腐蚀合金。我们的策略克服了传统不锈钢的基本限制，建立了适用于高电位的合金开发范例。这一突破令人振奋，并带来了新的应用"。黄教授说。

目前，脱盐海水或酸性溶液中的水电解槽需要昂贵的金或铂涂层钛作为结构组件。例如，现阶段一个10兆瓦PEM电解槽系统的总成本约为1780万港元，其中结构组件占总成本的53%。黄教授团队所取得的突破，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 的应用有望使结构材料的成本降低约 40 倍，显示出巨大的工业应用前景。

"从实验材料到实际产品，如用于水电解槽的网格和泡沫，手头的任务仍然充满挑战。目前，我们已经向工业化迈出了一大步。我们与内地一家工厂合作，生产了数吨以 SS-H2 为基础的金属丝。"黄教授补充道："我们正致力于将更经济的 SS-H2 应用于可再生资源制氢。"

编译来源：ScitechDaily