Uma equipe da Universidade de Hong Kong (HKU) desenvolveu um novo tipo de aço inoxidável que poderia superar uma grande deficiência do aço inoxidável convencional e potencialmente reduzir o custo de produção de hidrogênio verde.
Liderados pelo professor Mingxin Huang, do Departamento de Engenharia Mecânica da HKU, pesquisadores criaram aço inoxidável para hidrogênio (SS-H)2), um material projetado para resistir à corrosão severa sob condições que o aço inoxidável comum não pode tolerar.
O progresso é o mais recente resultado do projeto “super aço” de Huang. Sua equipe desenvolveu anteriormente aço inoxidável com propriedades anti-COVID em 2021, bem como formas excepcionalmente fortes e resistentes de superaço em 2017 e 2020.
Um novo aço para o hidrogénio verde
ss-h2 É particularmente promissor devido à sua resistência à corrosão. Esta propriedade poderá torná-lo útil em sistemas que produzem hidrogénio verde a partir da água do mar, uma área onde os investigadores ainda procuram tecnologias práticas e sustentáveis.
O hidrogênio pode ser produzido por eletrólise, um processo que usa eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Quando essa eletricidade provém de energia renovável, o combustível resultante é frequentemente descrito como hidrogénio verde. Contudo, o equipamento utilizado para eletrólise deve suportar condições químicas e elétricas difíceis, especialmente quando estão envolvidos sais.
Em eletrolisadores de água salgada, o novo aço apresentou desempenho comparável aos componentes estruturais de titânio usados atualmente para produzir hidrogênio a partir de água do mar dessalinizada ou soluções ácidas. A principal diferença é o custo. ss-h2 É muito mais barato.
As descobertas foram publicadas em conteúdo hoje Em um estudo intitulado “Uma estratégia sequencial de passivação dupla para projetar aços inoxidáveis usados acima da oxidação da água”. Os pesquisadores solicitaram patentes que abrangem a tecnologia em diversos países, e duas patentes já foram autorizadas.
Por que existe um limite para o aço inoxidável tradicional?
O aço inoxidável está em uso há quase um século e se tornou um dos materiais mais importantes para aplicações onde a corrosão é uma preocupação. Grande parte de sua durabilidade vem do cromo.
Quando o cromo (Cr) do aço reage com o ambiente, forma uma fina película protetora na superfície. Esta camada passiva ajuda a proteger o metal subjacente da corrosão contínua.
Contudo, para os aços inoxidáveis convencionais, esta proteção tem um limite significativo.
óxido de cromo protetor, Cr2ei3Pode sofrer oxidação adicional e formar espécies solúveis de Cr (VI). Quando isso ocorre, a superfície pode entrar em uma forma de corrosão conhecida como corrosão transgressiva.
No aço inoxidável convencional, esse processo pode ocorrer a aproximadamente ~1000 mV (eletrodo de calomelano saturado, SCE). A oxidação da água, uma reação essencial durante a eletrólise, requer um potencial muito maior de aproximadamente ~1600 mV. Essa incompatibilidade impediu que os aços inoxidáveis convencionais fossem usados de forma eficaz em algumas aplicações eletroquímicas de alta tensão.
Até mesmo o super aço inoxidável 254SMO, considerado uma liga de referência resistente à corrosão à base de cromo e com excelente resistência à corrosão da água do mar, enfrenta esse problema. Quando o potencial eléctrico se torna suficientemente elevado, a sua resistência à corrosão diminui.
Uma incrível segunda camada protetora
O grupo de Huang encontrou uma maneira de contornar essa limitação de longa data através do que os pesquisadores chamam de “dupla inativação sequencial”.
Em vez de confiar apenas na tradicional camada protetora de óxido de cromo, o SS-H2 Outra camada protetora se desenvolve sobre ela. Esta segunda camada é baseada em manganês e começa a se formar em aproximadamente ~720 mV.
Juntas, as duas camadas permitem que o aço resista à corrosão em ambientes ricos em cloretos com potenciais de até 1700 mV. Os cloretos, abundantes na água do mar, são particularmente agressivos para muitos metais e podem causar corrosão local.
Atingir 1700 mV é importante porque leva o material além do potencial necessário para a oxidação da água. É por isso que os pesquisadores veem o SS-H2 Como um avanço fundamental em comparação com o aço inoxidável tradicional.
O que torna os resultados particularmente impressionantes é o papel desempenhado pelo manganês. Tradicionalmente, o manganês tem sido considerado prejudicial à resistência à corrosão do aço inoxidável.
“Inicialmente, não acreditávamos porque a visão predominante é que o Mn reduz a resistência à corrosão do aço inoxidável. A passivação à base de Mn é uma descoberta contra-intuitiva, que não pode ser explicada pelo conhecimento atual na ciência da corrosão. No entanto, quando vários resultados em nível atômico foram apresentados, ficamos convencidos. Além de ficarmos surpresos, mal podíamos esperar para explorar o mecanismo, “disse o Dr. Já fez.
quase seis anos de pesquisa
O projeto durou cerca de seis anos, começando com a descoberta do aço incomum e continuando com esforços para entender por que ele se comportava daquela maneira no nível atômico. O trabalho eventualmente progrediu em direção à publicação e potencial uso industrial.
Em vez de se concentrar principalmente em como as ligas resistem à corrosão em condições normais, o grupo de Huang concentrou-se no desenvolvimento de materiais que permanecessem estáveis em potenciais elétricos muito elevados.
“Diferentemente da atual comunidade de corrosão, que se concentra principalmente na resistência em potencial natural, nos especializamos no desenvolvimento de ligas resistentes a alto potencial. Nossa estratégia superou as limitações fundamentais dos aços inoxidáveis tradicionais e estabeleceu um paradigma para o desenvolvimento de ligas aplicadas em alto potencial. Esta inovação é estimulante e traz novas aplicações.” Professor Huang disse.
Potencial redução de 40 vezes nos custos de material
As implicações económicas poderão ser substanciais.
Eletrolisadores que trabalham com água do mar dessalinizada ou soluções ácidas atualmente exigem componentes caros de titânio revestidos com ouro ou platina. Esses materiais podem constituir uma grande parte do custo de um sistema de eletrólise.
De acordo com os pesquisadores, um sistema de tanque de eletrólise PEM de 10 MW custa atualmente aproximadamente HK$ 17,8 milhões. PEM refere-se à eletrólise por membrana de troca de prótons, uma tecnologia que usa um sistema de membrana acionado eletricamente para separar a água em hidrogênio e oxigênio.
Os componentes estruturais podem representar até 53% do custo total do sistema.
Pesquisadores acreditam em SS-H2 Alguns desses componentes caros podem ser substituídos por aço mais acessível. As suas estimativas sugerem que a utilização do novo material poderia reduzir o custo dos materiais estruturais em cerca de 40 vezes, oferecendo um grande potencial para a produção industrial de hidrogénio.
Passando do laboratório para a indústria
Ainda restam desafios significativos de engenharia antes que o material possa ser amplamente utilizado. Os eletrolisadores requerem componentes em formas práticas, como malha metálica e espuma, portanto, a demonstração em laboratório por si só não é suficiente.
No entanto, os pesquisadores começaram a buscar SS-H2 Rumo à produção em massa.
“Desde materiais experimentais para eletrolisadores de água até produtos reais como malha e espuma, ainda existem tarefas desafiadoras. Atualmente, demos um grande passo em direção à industrialização do Ton SS-H2O fio baseado em fibra foi produzido em colaboração com uma fábrica no continente. Estamos caminhando para a implementação de SS-H mais acessíveis2 na produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis”, disse o professor Huang.
A combinação de alta resistência à corrosão e custo de material muito baixo pode tornar o SS-H2 Particularmente valioso se funcionar de forma confiável em eletrolisadores comerciais. Se a tecnologia transitar com sucesso do aço experimental para componentes industriais, poderá fornecer uma forma barata de produzir hidrogénio verde a partir de energia renovável e água do mar.
