在香港大学机械工程系黄明欣教授的带领下，研究人员研发出了氢用不锈钢（SS-H2），这是一种旨在普通不锈钢无法承受的条件下抵抗严重腐蚀的材料。
这一进展是黄明欣“超级钢”项目的最新成果。他的团队此前曾在2021年开发出具有抗新冠病毒特性的不锈钢，并于2017年和2020年开发出了强度和韧性极高的超级钢。
一种用于绿色氢能的新型钢材
SS-H2因其耐腐蚀性而展现出特别广阔的前景。这一特性使其有望应用于利用海水生产绿色氢能的系统中，而该领域目前研究人员仍在探索实用且可持续的技术。
氢气可以通过电解产生，这是一种利用电力将水分解为氢气和氧气的过程。当电力来自可再生能源时，所产生的燃料通常被称为绿色氢能。然而，用于电解的设备必须经受严苛的化学和电气条件，特别是在涉及盐分的情况下。
在海水电解槽中，这种新型钢材展现出的性能可与目前用于从淡化海水或酸性溶液中生产氢气的钛结构件相媲美。关键的区别在于成本。SS-H2的价格要低廉得多。
相关研究结果发表在《Materials Today》上，论文题为“用于水氧化电位以上的不锈钢设计的顺序双钝化策略”。研究人员已在多个国家申请了涵盖该技术的专利，其中两项专利已获授权。
为何传统不锈钢存在局限
不锈钢的应用历史大约已有一个世纪，并已成为关注腐蚀问题的应用中最重要的材料之一。其耐用性很大程度上归功于铬。
当钢中的铬与周围环境发生反应时，会在表面形成一层薄薄的保护膜。这一钝化层有助于防止底层金属继续腐蚀。
然而，对于传统不锈钢而言，这种保护存在一个重要的极限。
保护性的氧化铬（Cr2O3）可能发生进一步氧化，形成可溶性的Cr(VI)物种。一旦发生这种情况，表面就会进入一种被称为过钝化腐蚀的退化形式。
在传统不锈钢中，这一过程可能在约1000 mV（饱和甘汞电极，SCE）时发生。水氧化是电解过程中的必要反应，需要约1600 mV的更高电位。这种不匹配阻碍了传统不锈钢在一些高压电化学应用中的有效使用。
即使是254SMO超级不锈钢——被视为具有优异海水耐点蚀性能的铬基耐蚀合金标杆——也面临着这一问题。当电位足够高时，其耐腐蚀性会下降。
令人惊讶的第二保护层
黄明欣的研究小组利用研究人员所称的“顺序双钝化”找到了一种突破这一长期限制的方法。
SS-H2不仅仅依赖传统的氧化铬保护层，还在其之上形成了另一层保护层。这第二层基于锰，并在约720 mV时开始形成。
这两层保护层共同作用，使钢材能够在电位高达1700 mV的含氯环境中抵抗腐蚀。氯离子在海水中含量丰富，对许多金属具有极强的侵蚀性，可能导致局部腐蚀。
达到1700 mV至关重要，因为这使材料的性能超越了水氧化所需的电位。因此，研究人员将SS-H2视为对传统不锈钢的一项根本性突破。
这一结果尤其引人注目的是锰所发挥的作用。传统上，锰被认为对不锈钢的耐腐蚀性有害。
“起初我们不敢相信，因为主流观点认为锰会损害不锈钢的耐腐蚀性。基于锰的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在我们面前时，我们被说服了。除了惊讶，我们更迫不及待地想要探索其机理，”该研究的第一作者余凯平博士说，他的博士学位由黄明欣教授指导。
近六年的研究
该项目历时近六年，始于对这种不寻常钢材的发现，随后致力于从原子层面理解其行为方式。这项工作最终走向发表并迈向可能的工业应用。
黄明欣的研究小组并非主要关注合金在普通条件下如何抵抗腐蚀，而是专注于开发在更高电位下保持稳定的材料。
“与当前主要关注自然电位下耐蚀性的腐蚀界不同，我们专门从事高电位耐蚀合金的开发。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下的合金开发范式。这一突破令人振奋，并带来了新的应用，”黄明欣教授说。
材料成本有望降低40倍
其经济影响可能十分巨大。
目前，使用淡化海水或酸性溶液运行的电解槽需要镀有金或铂的昂贵钛组件。这些材料可能占据电解系统成本的很大一部分。
据研究人员介绍，一套10兆瓦的PEM电解槽系统目前的成本约为1780万港元。PEM指质子交换膜电解，这是一种利用电力驱动膜系统将水分解为氢气和氧气的技术。
结构件可占总系统成本的53%之多。
研究人员认为，SS-H2可以用更经济的钢材替代其中一些昂贵组件。他们的估算表明，使用这种新材料可以将结构材料的成本降低约40倍，使其在工业制氢方面具有巨大的潜力。
从实验室走向工业
在该材料广泛应用之前，仍存在重要的工程挑战。电解槽需要金属网和泡沫等实用形式的组件，因此仅靠实验室性能是不够的。
尽管如此，研究人员已开始推动SS-H2走向大规模生产。
“从实验材料到水电解槽的实际产品（如金属网和泡沫），目前仍有艰巨的任务。当前，我们在工业化方面迈出了一大步。我们已与一家内地工厂合作生产了数吨基于SS-H2的线材。我们正推进将更经济的SS-H2应用于可再生能源制氢，”黄明欣教授补充道。
高耐腐蚀性和低得多的材料成本相结合，如果SS-H2能在商用电解槽中可靠运行，将使其具有特别重要的价值。如果该技术成功实现从实验钢材到工业组件的转变，它可能会提供一条利用可再生能源和海水生产绿色氢能的更廉价途径。