استیل SS-H2، بازیگر جدید در عرصه هیدروژن سبز

یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی پروفسور مین‌ژین هوانگ از بخش مهندسی مکانیک دانشگاه هنگ‌کنگ موفق به دستیابی به پیشرفتی قابل‌توجه در طراحی استیل ضدزنگ شده‌اند. این نوآوری که بر توسعه استیلی پیشرفته با نام SS-H2 متمرکز است، برای تولید هیدروژن طراحی شده و گامی مهم در این حوزه محسوب می‌شود.

این دستاورد بخشی از پروژه بزرگ پروفسور هوانگ با عنوان «استیل فوق‌العاده» است. این پروژه پیش‌تر موفقیت‌های قابل‌توجهی همچون ساخت استیل ضد COVID-19 در سال 2021، توسعه استیل فوق‌العاده مستحکم در سال 2017، و طراحی استیل فوق‌العاده سخت در سال 2020 را به ثبت رسانده است.

این فولاد، مقاومت بسیار بالایی در برابر خوردگی دارد و برای تولید هیدروژن سبز از آب دریا قابل استفاده است، حوزه‌ای که هنوز نیازمند توسعه راهکارهای پایدار و اقتصادی است. عملکرد این فولاد در الکترولایزرهای آب شور به‌خوبی با روش‌های صنعتی فعلی که از تیتانیوم برای تولید هیدروژن از آب شیرین‌شده یا اسیدی استفاده می‌کنند، قابل مقایسه است. با این تفاوت که هزینه تولید این فولاد به‌مراتب کمتر است.

این تحقیق در مجله Materials Today منتشر شده و تاکنون برای چندین کشور درخواست ثبت اختراع ارسال شده است که دو مورد از آن‌ها تأیید شده‌اند.

انقلاب در مقاومت به خوردگی

از زمان کشف استیل ضدزنگ، این ماده در محیط‌های خورنده به‌طور گسترده استفاده شده است. کروم (Cr) نقش اساسی در ایجاد مقاومت در برابر خوردگی استیل ضدزنگ ایفا می‌کند. لایه غیرفعال که از طریق اکسیداسیون کروم شکل می‌گیرد، استیل ضدزنگ را در برابر محیط‌های طبیعی محافظت می‌کند. با این حال، این مکانیسم معمولی تک‌مرحله‌ای که بر اساس کروم است، مانع پیشرفت‌های بیشتر در بهبود استیل ضدزنگ شده است. به دلیل اکسیداسیون بیشتر Cr2O3 پایدار به گونه‌های حل‌شدنی Cr(VI)، خوردگی ترنس‌پسیو به‌طور اجتناب‌ناپذیر در استیل ضدزنگ معمولی در حدود 1000 میلی‌ولت (الکترود کالامل اشباع‌شده، SCE) رخ می‌دهد که از پتانسیل لازم برای اکسیداسیون آب (~1600 میلی‌ولت) کمتر است. به‌عنوان مثال، استیل ضدزنگ 254SMO یک معیار در میان آلیاژهای ضد خوردگی بر پایه کروم است که مقاومت بالایی در برابر خوردگی حفره‌ای در آب دریا دارد؛ اما خوردگی ترنس‌پسیو کاربرد آن را در پتانسیل‌های بالاتر محدود می‌کند.

با استفاده از استراتژی «sequential dual-passivation» یعنی پسیو شدن دانشــنـامه پسیو شدن چیست ؟ پسیو شدن (Passivation) به فرایندی گفته می‌شود که طی آن سطح یک ماده، به‌ویژه فلزات، به‌طور طبیعی یا با کمک فرآیندهای شیمیایی، در برابر خوردگی و واکنش‌های شیمیایی دیگر محافظت می‌شود. این فرایند به‌طور عمده در فلزات ضدزنگ مانند استیل ضدزنگ رخ می‌دهد، جایی که لایه‌ای نازک از اکسید (مانند اکسید کروم) روی سطح فلز تشکیل می‌شود که از تماس مستقیم فلز با محیط جلوگیری کرده و از خوردگی آن جلوگیری می‌کند. دومرحله‌ای به طور متوالی، تیم تحقیقاتی پروفسور هوانگ مدل جدید SS-H2 را با مقاومت فوق‌العاده‌ای در برابر خوردگی توسعه داده‌اند. علاوه بر لایه غیرفعال مبتنی بر اکسید کروم (Cr2O3)، یک لایه ثانویه مبتنی بر منگنز (Mn) روی لایه پیشین کروم در حدود 720 میلی‌ولت تشکیل می‌شود. مکانیزم مضاعف متوالی از خوردگی SS-H2 در محیط‌های کلریدی جلوگیری می‌کند و آن را در پتانسیل بالای 1700 میلی‌ولت مقاوم می‌سازد. SS-H2 یک پیشرفت بنیادی نسبت به استیل ضدزنگ معمولی به‌شمار می‌آید.

کشف غیرمنتظره و کاربردهای بالقوه

دکتر کایپینگ یو، نویسنده اول مقاله که دکترای خود را تحت نظر پروفسور هوانگ انجام داده است گفت:

ابتدا ما این کشف را باور نمی‌کردیم زیرا دیدگاه رایج بر این اساس است که منگنز مقاومت به خوردگی استیل ضدزنگ را کاهش می‌دهد. پسیو شدن مبتنی بر منگنز یک کشف غیرمنتظره است که با دانش فعلی در علم خوردگی قابل توضیح نیست. با این حال، زمانی که نتایج متعدد در سطح اتمی ارائه شد، ما قانع شدیم. فراتر از شگفتی، اکنون نمی‌توانیم منتظر بمانیم تا از این مکانیزم بهره‌برداری کنیم.

از کشف اولیه استیل ضدزنگ نوآورانه تا دستیابی به درک علمی عمیق و در نهایت آماده‌سازی برای انتشار رسمی و امید به کاربرد صنعتی آن، تیم تحقیقاتی تقریباً شش سال را صرف این پروژه کرده است.

پروفسور هوانگ گفت:

ما در توسعه آلیاژهایی که در پتانسیل‌های بالا مقاوم هستند تخصص داریم، که این موضوع با رویکردهای رایج در علم خوردگی متفاوت است که بیشتر بر مقاومت در پتانسیل‌های طبیعی تمرکز دارند.  با برطرف کردن محدودیت‌های استیل ضدزنگ معمولی، یک الگوی جدید برای توسعه آلیاژهای کاربردی در پتانسیل‌های بالا ارائه دادیم. این پیشرفت هیجان‌انگیز به همراه خود کاربردهای جدیدی خواهد داشت.

تحولی در کاهش هزینه‌ها

در حال حاضر، برای قطعات ساختاری الکترولایزرهای آب در آب شیرین دریا یا محلول‌های اسیدی، استفاده از تیتانیوم پوشش‌دار با طلا یا پلاتین گران‌قیمت ضروری است. به‌عنوان مثال، هزینه کل یک سیستم مخزن الکترولیز PEM ده مگاواتی در وضعیت کنونی حدود 17.8 میلیون دلار هنگ‌کنگ است که قطعات ساختاری تا 53٪ از هزینه کلی را تشکیل می‌دهند. پیشرفت تیم پروفسور هوانگ این امکان را فراهم می‌آورد که این قطعات ساختاری گران‌قیمت با فولاد اقتصادی‌تر جایگزین شوند. طبق برآوردها، استفاده از SS-H2 می‌تواند هزینه مواد ساختاری را حدود 40 برابر کاهش دهد که این امر افق‌های عظیمی برای کاربردهای صنعتی فراهم می‌کند.

پروفسور هوانگ افزود:

با وجود چالش‌های موجود در مسیر انتقال از مواد آزمایشی به محصولات واقعی مانند مش‌ها و فوم‌ها برای الکترولایزرهای آب، گام‌های بزرگی در جهت صنعتی‌شدن برداشته شده است. در حال حاضر، با همکاری یک کارخانه از سرزمین اصلی، مقادیر زیادی سیم استیل SS-H2 تولید شده است. ما به پیشرفت خود ادامه می‌دهیم تا از استیل SS-H2 مقرون به‌صرفه در تولید هیدروژن از منابع تجدیدپذیر بهره‌برداری کنیم.

منبع