香港大学的一个团队研发出一种新型“超级钢”，能够耐受海水制绿氢所需的恶劣条件。该材料采用了一种出人意料的“双重保护机制”，其耐腐蚀性能远优于传统不锈钢。更为引人注目的是，它有望替代当前氢能系统中使用的昂贵钛部件。
香港大学机械工程系黄明欣教授领导的团队开发了一种用于制氢的特殊不锈钢（SS-H2）。该材料在通常会使不锈钢超出其极限的条件下具有抗腐蚀能力，使其成为从海水及其他恶劣电解槽环境中生产氢气的有前途的候选材料。
这项发现发表在《Materials Today》上题为“一种用于设计水氧化电位以上使用的不锈钢的顺序双钝化策略”的研究中，建立在黄教授长期进行的“超级钢”项目基础上。同一研究项目此前于2021年研发出了抗COVID-19不锈钢，并于2017年和2020年研发出了超强度和高韧性的超级钢。
通往绿氢的更廉价路径
绿氢是利用电力（理想情况下来自可再生能源）将水分解为氢气和氧气而制成的。海水是一种特别诱人的原料，因为它储量丰富，但它带来了严重的材料问题：盐、氯离子、副反应和腐蚀会迅速损坏电解槽组件。
近期关于直接海水电解的综述继续强调同样的核心挑战。该技术可以提供一条更可持续的制氢途径，但腐蚀、与氯相关的副反应、催化剂降解、沉淀物以及有限的长期耐久性仍然是商业应用的主要障碍。
这正是SS-H2发挥作用的地方。在盐水电解槽中，港大团队发现这种新钢的性能可与目前工业实践中用于从淡化海水或酸中生产氢气的钛基结构材料相媲美。区别在于成本。涂有金或铂等贵金属的钛部件价格昂贵，而不锈钢则经济得多。
对于一个10兆瓦的PEM电解槽系统，港大报告时的总成本估计约为1780万港元，其中结构组件占该费用的比例高达53%。根据该团队的估算，用SS-H2替代这些昂贵的结构材料，可使结构材料的成本降低约40倍。
普通不锈钢为何失效
不锈钢在腐蚀环境中使用已超过一个世纪，因为它具有自我保护能力。关键成分是铬。当铬氧化时，它会形成一层薄薄的钝化膜，保护钢材免受损害。
但这种熟悉的保护系统有一个内在的上限。在传统不锈钢中，基于铬的保护层在高电位下会分解。稳定的Cr2O3可被进一步氧化为可溶性的Cr(VI)物种，在约1000毫伏（饱和甘汞电极，SCE）下引起过钝化腐蚀。这远低于水氧化所需的约1600毫伏。
即使是254SMO超级不锈钢——一种以在海水中具有强抗点蚀能力而闻名的基准铬基合金，也会遇到这个高电压限制。它可能在普通海洋环境中表现良好，但制氢的极端电化学环境是一个不同的挑战。
构建第二道防线的不锈钢
港大团队的解决方案是一种称为“顺序双钝化”的策略。SS-H2不仅仅依赖通常的氧化铬屏障，而是形成了第二层保护层。
第一层是熟悉的基于Cr2O3的钝化膜。然后，在大约720毫伏时，在铬基层之上形成了一层锰基层。这第二道防线有助于在高达1700毫伏的超高电位下保护含氯环境中的钢材。
这正是该发现如此引人注目的原因。锰通常不被视为不锈钢抗腐蚀性能的朋友。事实上，主流观点一直认为锰会削弱其抗腐蚀性。
“起初我们并不相信，因为主流观点认为Mn会损害不锈钢的耐腐蚀性。锰基钝化是一个反直觉的发现，无法用现有的腐蚀科学知识来解释。然而，当大量的原子级结果呈现出来时，我们被说服了。除了惊讶之外，我们迫不及待地想要开发利用这一机制，”文章的第一作者余凯平博士说，他的博士学位由黄教授指导。
从惊喜到应用的六年探索
从首次观察到发表的道路并不平坦。团队花了近六年时间，从最初发现这种不寻常的不锈钢，到更深入的科学解释，再到发表和潜在的工业用途。
“目前的腐蚀界主要关注自然电位下的耐腐蚀性，而我们不同，专门致力于开发耐高电位合金。我们的策略克服了传统不锈钢的根本局限，并建立了一种适用于高电位的合金开发范式。这一突破令人兴奋，并带来了新的应用，”黄教授说。
这项工作也已走出了实验室。研究成果已在多个国家提交专利申请，在港大发布公告时，已有两项专利获得授权。团队还报告称，已与内地一家工厂合作生产了数吨SS-H2基线材。
“从实验材料转化为电解槽的实际产品，如网和泡沫，目前仍面临艰巨的任务。目前，我们在工业化方面迈出了一大步。我们已经与内地的一家工厂合作生产了数吨SS-H2基线材。我们正在推进将更经济的SS-H2应用于可再生能源制氢，”黄教授补充道。
为何时机依然重要
尽管SS-H2的研究发表于2023年，但其核心问题变得愈发切题。较新的海水电解研究继续关注同样的瓶颈：耐腐蚀材料、持久电极、氯抑制，以及能在真实海水而非理想实验室溶液中生存的系统设计。2025年《Nature Reviews Materials》的一篇综述将直接海水电解描述为前景广阔，但仍受限于腐蚀、副反应、金属沉淀物和有限的寿命。
其他近期工作探索了具有保护性催化层的不锈钢基电极，包括NiFe基涂层和Pt原子团簇，以提高在天然海水中的耐久性。研究人员还报道了建立在不锈钢基底上的耐腐蚀阳极策略，表明不锈钢仍是使海水电解更具实用性的努力重点。
这些较新的研究并不能取代SS-H2的发现。相反，它强化了港大团队方法的重要性。该领域仍在寻找能够经受住海水化学、高电压和工业操作需求这一严酷组合的材料。SS-H2之所以脱颖而出，是因为它不仅通过涂层或催化剂来解决问题，而是采用一种新的合金设计策略，改变了不锈钢自我保护的方式。
具有清洁能源潜力的钢铁突破
SS-H2还不是氢能经济的“即插即用”解决方案。团队承认，将实验材料转化为真正的电解槽产品（包括网和泡沫）仍涉及艰巨的工程工作。
即便如此，前景是清晰的。一种能够承受高电压海水条件同时替代昂贵钛基组件的不锈钢，可以使氢气生产更便宜、更具可扩展性，并且更容易与可再生能源结合。
在一个成本和耐久性往往决定技术能否走出实验室的领域，一种能构建自身第二道防线的钢材可能不仅仅是材料科学的惊喜。它可能成为迈向工业规模清洁氢气的切实一步。