لقد طور العلماء الفولاذ المقاوم للصدأ الثوري لإنتاج الهيدروجين، SS-H2، والذي يوفر مقاومة أكبر للتآكل وفعالية من حيث التكلفة مقارنة بالتيتانيوم. يمكن لهذا الابتكار أن يقلل بشكل كبير من تكاليف المواد المستخدمة في التحليل الكهربائي للمياه، مما يمهد الطريق لإنتاج الهيدروجين بأسعار معقولة من مصادر متجددة. أعلاه هو الفولاذ المقاوم للصدأ الجديد للهيدروجين الذي طوره الفريق. الائتمان: جامعة هونغ كونغ
حقق فريق بقيادة البروفيسور مينجكسين هوانج من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هونج كونج تقدمًا كبيرًا في مجال الفولاذ المقاوم للصدأ. ويركز هذا الابتكار الأخير على تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ المصمم لتطبيقات الهيدروجين، والمعروف باسم SS-H.2.
يعد هذا الإنجاز جزءًا من مشروع “Super Steel” المستمر للبروفيسور هوانغ، والذي حقق بالفعل معالم بارزة من خلال إنشاء مضاد للإشعاع.كوفيد-19 الفولاذ المقاوم للصدأ في عام 2021 وتطوير الفولاذ الفائق القوة والفائق القوة في عامي 2017 و2020.
يتمتع الفولاذ الجديد الذي طوره الفريق بمقاومة عالية للتآكل، مما يتيح إمكانية تطبيقه لإنتاج الهيدروجين الأخضر من مياه البحر، حيث لا يزال هناك حل مستدام جديد في طور الإعداد.
إن أداء الفولاذ الجديد في المحلل الكهربائي للمياه المالحة يمكن مقارنته بالممارسات الصناعية الحالية باستخدام التيتانيوم كأجزاء هيكلية لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر المحلاة أو حامضفي حين أن تكلفة الفولاذ الجديد أرخص بكثير.
وتم نشر الاكتشاف في المجلة المواد اليوم. ونتائج البحث هي حاليا موضوع طلبات براءات اختراع في العديد من البلدان، وقد حصل اثنان منها بالفعل على ترخيص.
ثورة في مقاومة التآكل
منذ اكتشافه قبل قرن من الزمان، أصبح الفولاذ المقاوم للصدأ مادة مهمة تستخدم على نطاق واسع في البيئات المسببة للتآكل. يعد الكروم عنصرًا أساسيًا في تحديد مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ. يتم إنشاء فيلم سلبي عن طريق أكسدة الكروم (Cr) ويحمي الفولاذ المقاوم للصدأ في البيئات الطبيعية. ولسوء الحظ، فإن آلية التخميل الفردية التقليدية القائمة على الكروم قد أوقفت تقدم الفولاذ المقاوم للصدأ. بسبب الأكسدة اللاحقة للكروم المستقر2أوه3 في الكروم القابل للذوبان (VI) صِنفيحدث التآكل العابر حتمًا في الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي عند حوالي 1000 مللي فولت (قطب كالوميل مشبع، SCE)، وهو أقل من الإمكانات المطلوبة لأكسدة الماء عند 1600 مللي فولت تقريبًا.
البروفيسور مينجكسين هوانج والدكتور كايبينج يو المصدر: جامعة هونج كونج
على سبيل المثال، يعد الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق 254SMO معيارًا بين السبائك المضادة للتآكل القائمة على الكروم ويظهر مقاومة فائقة للحفر في مياه البحر؛ ومع ذلك، فإن التآكل العابر يحد من تطبيقه على إمكانات أعلى.
باستخدام استراتيجية “التخميل المزدوج المتسلسل”، قام فريق بحث البروفيسور هوانغ بتطوير SS-H الجديد2 مع مقاومة فائقة للتآكل. بالإضافة إلى Cr واحد2أوه3الطبقة المنفعلة القائمة على المنغنيز، تتشكل طبقة ثانوية قائمة على المنغنيز على الطبقة السابقة القائمة على الكروم عند حوالي 720 مللي فولت. آلية التخميل المزدوج المتسلسل تمنع SS-H2 التآكل في البيئات المكلورة بإمكانات عالية جدًا تبلغ 1700 مللي فولت. إس إس-إتش2 يوضح تقدمًا أساسيًا مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي.
اكتشاف غير متوقع والتطبيقات المحتملة
“في البداية، لم نصدق ذلك لأن الرأي السائد هو أن المنغنيز يغير مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ. يعد التخميل القائم على المنغنيز اكتشافًا غير بديهي، ولا يمكن تفسيره بالمعرفة الحالية في علم التآكل. ومع ذلك، عندما تم تقديم العديد من النتائج على المستوى الذري، اقتنعنا. وقال الدكتور كايبينغ يو، المؤلف الأول للورقة البحثية، والذي يشرف على أطروحته البروفيسور هوانغ: “إننا نتطلع إلى استغلال هذه الآلية”.
منذ الاكتشاف الأولي للفولاذ المقاوم للصدأ المبتكر، إلى تحقيق اختراق في الفهم العلمي، إلى التحضير للنشر الرسمي، ونأمل، تطبيقه الصناعي، أمضى الفريق ما يقرب من ست سنوات في هذه الوظيفة.
“خلافًا لمجتمع التآكل الحالي، الذي يركز بشكل أساسي على مقاومة الإمكانات الطبيعية، فإننا متخصصون في تطوير سبائك مقاومة عالية الإمكانات. لقد تغلبت استراتيجيتنا على القيود الأساسية للفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي وأنشأت نموذجًا لـ سبيكة التنمية تنطبق على إمكانات عالية. هذا التقدم مثير ويجلب تطبيقات جديدة. » قال البروفيسور هوانغ.
في الوقت الحاضر، بالنسبة للمحللات الكهربائية للمياه في مياه البحر المحلاة أو المحاليل الحمضية، هناك حاجة إلى مكونات هيكلية باهظة الثمن من Ti مطلية بـ Au أو Pt. على سبيل المثال، تبلغ التكلفة الإجمالية لنظام خزان التحليل الكهربائي PEM بقدرة 10 ميجاوات في مرحلته الحالية حوالي 17.8 مليون دولار هونج كونج، مع مساهمة المكونات الهيكلية بما يصل إلى 53% من إجمالي النفقات. يسمح التقدم الذي حققه فريق البروفيسور هوانغ باستبدال هذه المكونات الهيكلية باهظة الثمن بفولاذ أكثر اقتصادا. وفقًا للتقديرات، فإن توظيف SS-H2 ومن المتوقع أن يقلل من تكلفة المواد الإنشائية بنحو 40 مرة، مما يدل على إمكانات كبيرة للتطبيقات الصناعية.
“من المواد التجريبية إلى المنتجات الفعلية، مثل الشبكات والرغاوي، الخاصة بالمحللات الكهربائية للمياه، لا تزال هناك مهام صعبة يتعين إنجازها. حاليا، لقد اتخذنا خطوة كبيرة نحو التصنيع. تم إنتاج أطنان من الخيوط المعتمدة على SS-H2 بالتعاون مع أحد مصانع البر الرئيسي. نحن نتقدم في تطبيق SS-H الأكثر اقتصادا.2 وأضاف البروفيسور هوانغ في إنتاج الهيدروجين من مصادر متجددة.
المرجع: “استراتيجية التخميل المزدوج المتسلسل لتصميم الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم فوق أكسدة الماء” بقلم كايبينغ يو، وشيهوي فنغ، وتشاو دينغ، ومنغ غو، وبنغ يو، ومينغكسين هوانغ، 19 أغسطس 2023، المواد اليوم.
دوى: 10.1016/j.mattod.2023.07.022
