Uma descoberta em aço inoxidável da Universidade de Hong Kong (HKU) poderia ajudar a resolver um dos maiores problemas enfrentados pelo hidrogénio verde: como construir eletrolisadores que sejam suficientemente resistentes para a água do mar, mas suficientemente baratos para energia limpa em grande escala.
Liderada pelo professor Mingxin Huang, do Departamento de Engenharia Mecânica da HKU, a equipe desenvolveu um aço inoxidável especial para produção de hidrogênio (SS-H2) o material resiste à corrosão sob condições que normalmente excederiam seus limites para o aço inoxidável, tornando-o um candidato promissor para a produção de hidrogênio a partir da água do mar e de outros ambientes agressivos de eletrolisadores.
Descobertas, relatórios materiais hoje A pesquisa, “Uma técnica sequencial de dupla passivação para projetar aço inoxidável usado na oxidação da água”, baseia-se no projeto “Super Steel” de longa data de Huang. O mesmo programa de pesquisa produziu anteriormente aço inoxidável anti-COVID-19 em 2021 e super aço ultra-forte e ultra-resistente em 2017 e 2020.
Um caminho barato para o hidrogénio verde
O hidrogénio verde é produzido através da utilização de eletricidade, de preferência proveniente de fontes renováveis, para dividir a água em hidrogénio e oxigénio. A água do mar é uma matéria-prima particularmente tentadora porque é abundante, mas traz um sério problema material: sais, íons cloreto, reações colaterais e corrosão podem danificar rapidamente os componentes do eletrolisador.
Revisões recentes da eletrólise direta da água do mar continuam a destacar os mesmos desafios principais. A tecnologia pode fornecer uma rota mais sustentável para o hidrogênio, mas a corrosão, os efeitos colaterais relacionados ao cloro, a degradação do catalisador, a degradação e a sustentabilidade limitada a longo prazo são as principais barreiras ao uso comercial.
Há SS-H2 pode importar. No eletrolisador de água salgada, a equipe da HKU descobriu que o novo aço poderia ter um desempenho comparável ao dos materiais estruturais à base de titânio usados na prática industrial atual para produzir hidrogênio a partir de água do mar pura ou ácido. A diferença é o custo. As peças de titânio revestidas com metais preciosos como ouro ou platina são caras, enquanto o aço inoxidável é muito mais econômico.
Para um sistema de tanque de eletrólise PEM de 10 MW, o custo total no momento do relatório da HKU foi estimado em cerca de HK$ 17,8 milhões, com os componentes estruturais representando 53% desse custo. De acordo com as estimativas da equipe, esses materiais estruturais caros estão sendo substituídos por SS-H2 Pode reduzir o custo do material estrutural em cerca de 40 vezes.
Por que o aço inoxidável comum falha
O aço inoxidável tem sido usado em ambientes corrosivos há mais de um século porque se protege. O elemento principal é o cromo. Quando o cromo (Cr) oxida, forma uma fina película passiva que protege o aço contra danos.
Mas esse mecanismo de segurança familiar tem um teto embutido. No aço inoxidável convencional, a camada protetora à base de cromo pode quebrar sob altos potenciais elétricos. Cr estável2E3 pode ser ainda oxidado em espécies solúveis de Cr (VI), resultando em um decaimento transpassivo de cerca de ~ 1000 mV (eletrodo de calomelano saturado, SCE). Isto está abaixo dos ~1600 mV necessários para a oxidação da água.
Até mesmo o super aço inoxidável 254SMO, uma liga de referência à base de cromo conhecida por sua forte resistência à corrosão na água do mar, opera dentro dessa faixa de alta tensão. Pode funcionar bem em ambientes marinhos típicos, mas o ambiente eletroquímico extremo da produção de hidrogênio é um desafio diferente.
Aço que forma um segundo escudo
A resposta da equipe HKU foi uma técnica chamada “passivação dupla sequencial”. Em vez de depender apenas da barreira usual de óxido de cromo, o SS-H2 Forma uma segunda camada protetora.
A primeira camada é conhecida como Cr2E3 baseado em filme passivo. Então, a cerca de ~720 mV, uma camada à base de manganês se forma no topo da camada à base de cromo. Esta segunda blindagem ajuda a proteger o aço em ambientes de cloreto até potenciais muito elevados de 1700 mV.
É isso que torna a pesquisa tão interessante. O manganês geralmente não é visto como um amigo da resistência à corrosão do aço inoxidável. Na verdade, a visão predominante é que o manganês o enfraquece.
“Inicialmente, não acreditávamos porque a visão convencional é que o Mn enfraquece 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 da ciência da corrosão. No entanto, quando numerosos resultados em nível atômico foram apresentados, ficamos surpresos, não podíamos esperar. Disse o Dr. Kaiping Yu, o primeiro autor do artigo, cujo doutorado é supervisionado pelo professor Huang.
Um impulso de seis anos, da surpresa à aplicação
O caminho para a revelação desde a primeira observação não foi rápido. A equipe passou quase seis anos desde a descoberta inicial do aço inoxidável incomum até a interpretação científica aprofundada e, em seguida, a publicação e potencial uso industrial.
“Ao contrário da atual comunidade de corrosão, que se concentra principalmente na resistência a potenciais naturais, nos especializamos no desenvolvimento de ligas resistentes a altos potenciais. Nossa técnica supera as limitações fundamentais dos aços inoxidáveis convencionais e estabelece um precedente para o desenvolvimento de ligas aplicáveis a altos potenciais.”
O trabalho foi além do laboratório. Os resultados da investigação foram submetidos para patentes em vários países e duas patentes já foram concedidas no momento do anúncio da HKU. A equipe também relatou que toneladas de SS-H2 O cabo foi fabricado em uma fábrica localizada na China continental.
“De materiais experimentais a produtos reais, como malha e espuma, para eletrolisadores de água, ainda existem tarefas desafiadoras. Atualmente, demos um grande passo em direção à industrialização. Toneladas de SS-H2O cabo baseado em cabo é produzido em colaboração com uma fábrica do continente. Estamos caminhando para uma aplicação SS-H mais econômica2 na produção de hidrogênio a partir de fontes renováveis”, acrescentou o professor Huang.
Por que o tempo ainda importa
Embora SS-H2 À medida que o estudo foi publicado em 2023, a sua questão central só se tornou mais relevante. Novas pesquisas sobre eletrólise da água do mar continuam a se concentrar nos mesmos obstáculos: materiais resistentes à corrosão, eletrodos de longa duração, supressão de cloro e design de sistemas que podem sobreviver em água do mar real, em vez de soluções laboratoriais ideais. Um 2025 Materiais de revisão da natureza Análise descreveram a eletrólise direta da água do mar como promissora, mas ainda dificultada pela corrosão, efeitos colaterais, degradação do metal e vida útil limitada.
outro trabalho recente exploraram eletrodos à base de aço inoxidável com revestimentos à base de NiFe e camadas protetoras de catalisador com aglomerados atômicos de Pt para melhorar a estabilidade na água do mar natural. Os pesquisadores também relataram técnicas de ânodo resistentes à corrosão construídas em substratos de aço inoxidável, mostrando que o aço inoxidável é um foco importante nos esforços para tornar a eletrólise da água do mar mais prática.
Esta nova pesquisa não substitui o SS-H2 A descoberta, por sua vez, reforça porque a abordagem da equipe da HKU é importante. O campo ainda está em busca de materiais que possam sobreviver à difícil mistura de química da água salgada, alta tensão e demandas operacionais industriais. SS-H2 Destaca-se porque não ataca o problema apenas com um revestimento ou catalisador, mas com uma nova técnica de design de liga que muda a forma como o aço inoxidável se protege.
Um avanço em aço com potencial de energia limpa
SS-H2 Ainda não é uma solução plug and play para a economia do hidrogénio. A equipe reconheceu que transformar os materiais experimentais em produtos eletrolisadores reais, incluindo malha e espuma, ainda envolvia um trabalho de engenharia difícil.
Ainda assim, a promessa é clara. Um aço inoxidável que possa suportar condições de água do mar de alta tensão, ao mesmo tempo que substitui componentes caros à base de titânio, poderia tornar a produção de hidrogénio mais barata, mais escalável e mais fácil de combinar com energia renovável.
Para um campo onde o custo e a durabilidade muitas vezes decidem se uma tecnologia sai do laboratório, um aço que cria o seu próprio segundo escudo pode ser mais do que uma maravilha da ciência dos materiais. Isto poderia tornar-se um verdadeiro passo em direção ao hidrogénio mais limpo à escala industrial.
