Команда дослідників Гонконгського університету розробила новий тип нержавіючої сталі, спроможний витримувати надзвичайно агресивне середовище електролізу морської води. Матеріал, названий SS-H2, здатен замінити дороге титанове обладнання, яке нині є одним із головних факторів, що стримують здешевлення "зеленого" водню.

У чому проблема традиційних електролізерів

Виробництво водню шляхом розщеплення морської води вважається одним із найперспективніших шляхів декарбонізації важкої промисловості та далеких вантажних перевезень. Проте всередині електролізерів, особливо тих, що працюють саме з морською, а не з очищеною прісною водою, компоненти зазнають одночасного впливу високої напруги та хлоридних іонів. У таких умовах звичайна нержавіюча сталь, захисні властивості якої тримаються на тонкому оксидному шарі хрому, швидко руйнується через пітингову корозію.

Через це виробники обладнання для протонообмінного мембранного (PEM) електролізу здебільшого покладаються на титанові деталі з покриттям із золота або платини. Такі компоненти справляються із завданням, проте суттєво підвищують вартість усієї системи: за оцінками дослідників, конструктивні елементи становлять близько 53% від приблизно 17,8 мільйона гонконгських доларів, у які обходиться типова 10-мегаватна PEM-установка.

Несподіваний механізм захисту

Розробники SS-H2 знайшли рішення там, де його традиційно не шукали — у марганці. Донедавна вважалося, що цей елемент, навпаки, послаблює корозійну стійкість нержавіючої сталі. Однак команда під керівництвом професора Мінсіня Хуана виявила протилежне: у новому сплаві поверх звичного хромового оксидного шару послідовно формується ще один, марганцевий, що починає діяти приблизно від 720 мілівольт.

Саме цей другий шар дозволяє матеріалу витримувати напругу до 1700 мілівольт у хлоридному середовищі — з запасом вище за позначку близько 1600 мілівольт, необхідну для окислення води. Перший автор дослідження, доктор Кайпін Ю, зізнався, що спочатку сумніви щодо результатів мала й сама команда, оскільки отримані дані суперечили усталеним уявленням корозійної науки. За його словами, побачені на атомному рівні дані зрештою переконали дослідників у правильності висновків.

Що це означає для економіки водню

За розрахунками команди, заміна титанових конструктивних елементів на SS-H2 здатна знизити вартість цієї складової електролізної установки приблизно у 40 разів. Для галузі це не косметичне поліпшення, а зміна, що потенційно вплине на те, які саме енергетичні проєкти стануть економічно доцільними, а які — ні.

Дослідження, опубліковане у виданні Materials Today, стало результатом майже шестирічної роботи. Розробка вже вийшла за межі лабораторії: у партнерстві із заводом у материковому Китаї виготовлено тонни дроту із SS-H2, на технологію отримано два патенти, ще декілька перебувають на розгляді в різних країнах світу.

Перспективи впровадження

Сталь, за словами розробників, за корозійною стійкістю у морській воді наближається до титанових аналогів, які нині застосовуються у водневій галузі. Втім, дослідники наголошують, що SS-H2 поки не є готовим до масового впровадження рішенням: подальша робота зосереджена на довговічності електродів, придушенні побічних хлорних реакцій та випробуваннях у реальних умовах роботи з морською водою, а не лише в лабораторних розчинах.

Якщо технологія підтвердить свою ефективність у промислових масштабах, вона може суттєво пришвidшити перехід виробництва "зеленого" водню з прісної на морську воду — ресурс, доступ до якого значно менше обмежений географічно та економічно.