Нержавеющая сталь, которая не может существовать: ученые создали материал с двойной защитой для водородной энергетики

Команда инженеров Гонконгского университета под руководством профессора Минсиня Хуана разработала сталь, которая работает в условиях, разрушающих обычную нержавейку. Материал получил название SS-H2 — специальная нержавеющая сталь для производства водорода. Она способна выдерживать экстремальные электрохимические нагрузки при производстве зеленого водорода из морской воды.

Обычная нержавеющая сталь защищает себя за счет хрома. При окислении хром создает тонкую пассивную пленку, которая предохраняет материал от повреждений. Эта система работает более ста лет. Но у нее есть жесткий предел. При высоком электрическом потенциале хромовая защитная пленка разрушается. Стабильный оксид хрома превращается в растворимые соединения шестивалентного хрома. Это происходит при потенциале около 1000 милливольт. А для реакции разложения воды требуется около 1600 милливольт. Даже супер-нержавеющая сталь 254SMO, известная своей стойкостью к коррозии в морской воде, не выдерживает этого напряжения.

Команда Хуана применила стратегию, которую назвали «последовательной двойной пассивацией». Вместо того чтобы полагаться только на обычный хромовый барьер, SS-H2 формирует второй защитный слой. Первый слой — знакомая пленка на основе оксида хрома. Затем, при потенциале около 720 милливольт, поверх хромового слоя формируется слой на основе марганца. Эта вторая защита позволяет материалу работать в хлоридсодержащей среде до сверхвысокого потенциала в 1700 милливольт.

Открытие, которое не должны были сделать

Марганец традиционно считается врагом нержавеющей стали. Общепринятая точка зрения гласит, что марганец ухудшает коррозионную стойкость. Поэтому, когда исследователи впервые увидели результат, они сами ему не поверили.

Доктор Кайпин Ю, первый автор статьи, рассказал: «Сначала мы не поверили, потому что преобладающий взгляд состоит в том, что марганец ухудшает коррозионную стойкость нержавеющей стали. Марганцевая пассивация — открытие, противоречащее интуиции, которое невозможно объяснить текущими знаниями в науке о коррозии. Но когда были представлены многочисленные атомарные доказательства, мы убедились. Помимо удивления, мы не можем дождаться, чтобы использовать этот механизм».

От первого наблюдения до публикации прошло почти шесть лет. Команда не просто обнаружила необычное поведение материала, но и разработала глубокое научное объяснение.

Что это дает для водородной энергетики

Зеленый водород производится путем электролиза воды. Морская вода — самое доступное сырье, но её использование упирается в коррозию. Хлорид-ионы, побочные реакции, разрушение катализаторов — всё это делает промышленное использование морской воды чрезвычайно трудным.

В электролизере из соленой воды новая сталь показала производительность, сравнимую с титановыми конструкционными материалами, которые используются в промышленности для производства водорода из обессоленной воды. Разница в стоимости огромна. Титановые детали, часто покрытые драгоценными металлами, очень дороги. Нержавеющая сталь многократно дешевле.

Для электролизной системы мощностью 10 мегаватт общая стоимость оценивалась примерно в 222 миллиона рублей по текущему курсу, причем на конструкционные материалы приходилось до 53 процентов этой суммы. Замена дорогих материалов новой сталью, по оценкам команды, может снизить стоимость конструкционных материалов примерно в 40 раз.

От лаборатории к промышленности

Работа профессора Хуана не ограничилась научными публикациями. Патенты на открытие поданы в нескольких странах, два из них уже получены. Команда также сообщила, что в сотрудничестве с заводом в материковом Китае произведены тонны проволоки на основе SS-H2.

Профессор Хуан пояснил, что от экспериментальных материалов до реальных продуктов — сеток и пеноматериалов для электролизеров — еще много работы. Но большой шаг в сторону индустриализации уже сделан.

Если открытие было сделано шесть лет назад, почему оно до сих пор не стало основой мировой водородной индустрии? И сколько еще подобных «невозможных» материалов лежат на полках лабораторий, ожидая, когда их увидят инвесторы и промышленность?