دانشمندان از فولاد جدید SS-H2 رونمایی کردند
دانشمندان از فولاد جدید SS-H2 رونمایی کردند -تیمی به سرپرستی پروفسور Mingxin Huang از دپارتمان مهندسی مکانیک دانشگاه هنگ کنگ به پیشرفت قابل توجهی در زمینه فولاد ضد زنگ دست یافته است.
این نوآوری اخیر بر توسعه فولاد ضد زنگ طراحی شده برای کاربردهای هیدروژنی، معروف به SS-H 2 تمرکز دارد .
این دستاورد بخشی از پروژه در حال انجام “سوپر فولاد” پروفسور هوانگ است که قبلاً با ایجاد فولاد ضد زنگ ضد COVID-19 در سال 2021 و توسعه فولاد فوق العاده قوی و فوق العاده سخت در سال های 2017 و 2020 به نقاط عطف قابل توجهی دست یافته بود.
فولاد جدید توسعه یافته توسط این تیم مقاومت در برابر خوردگی بالایی از خود نشان می دهد و کاربرد بالقوه آن برای تولید هیدروژن سبز از آب دریا را امکان پذیر می کند، جایی که یک راه حل پایدار جدید هنوز در خط لوله است.
عملکرد فولاد جدید در الکترولیز آب نمک با روش صنعتی فعلی که از تیتانیوم به عنوان قطعات ساختاری برای تولید هیدروژن از آب نمک زدایی شده یا اسید استفاده می‌کند، قابل مقایسه است ، در حالی که هزینه فولاد جدید بسیار ارزان‌تر است.
این کشف در مجله Materials Today منتشر شده است . دستاوردهای تحقیقاتی در حال حاضر برای ثبت اختراع در چندین کشور درخواست می کنند و دو مورد از آنها قبلاً مجوز دریافت کرده اند.
انقلابی در مقاومت در برابر خوردگی
از زمان کشف آن در یک قرن پیش، فولاد ضد زنگ همیشه یک ماده مهم بوده است که به طور گسترده در محیط های خورنده استفاده می شود.
کروم یک عنصر ضروری در ایجاد مقاومت در برابر خوردگی فولاد ضد زنگ است. فیلم غیرفعال از طریق اکسیداسیون کروم (Cr) تولید می شود و از فولاد ضد زنگ در محیط های طبیعی محافظت می کند.
متأسفانه، این مکانیسم متداول تک غیرفعال سازی مبتنی بر کروم، پیشرفت بیشتر فولاد ضد زنگ را متوقف کرده است.
به دلیل اکسیداسیون بیشتر Cr 2 O 3 پایدار به گونه های Cr (VI) محلول ، خوردگی فرا پسیو به ناچار در فولاد ضد زنگ معمولی در ~ 1000 میلی ولت (الکترود کالومل اشباع، SCE) رخ می دهد که کمتر از پتانسیل مورد نیاز برای اکسیداسیون آب در ~ است. 1600 میلی ولت
به عنوان مثال، فولاد فوق العاده ضد زنگ 254SMO، معیاری در میان آلیاژهای ضد خوردگی مبتنی بر کروم است و مقاومت حفره ای عالی در آب دریا دارد.
با این حال، خوردگی فراگذر کاربرد آن را در پتانسیل های بالاتر محدود می کند.
تیم تحقیقاتی پروفسور هوانگ با استفاده از استراتژی «غیرفعال دوگانه متوالی»، مدل جدید SS-H 2 را با مقاومت در برابر خوردگی عالی توسعه دادند.
علاوه بر لایه غیرفعال منفرد مبتنی بر Cr 2 O 3 ، یک لایه ثانویه مبتنی بر منگنز بر روی لایه قبلی مبتنی بر کروم در ~720 میلی ولت تشکیل می شود.
مکانیسم متوالی غیرفعال شدن دوگانه از خوردگی SS-H 2 در محیط کلرید به پتانسیل فوق العاده بالای 1700 میلی ولت جلوگیری می کند. SS-H 2 یک پیشرفت اساسی را نسبت به فولاد ضد زنگ معمولی نشان می دهد.
کشف غیرمنتظره و کاربردهای بالقوه
“در ابتدا، ما آن را باور نکردیم زیرا دیدگاه غالب این است که منگنز مقاومت به خوردگی فولاد ضد زنگ را مختل می کند.
غیرفعال سازی مبتنی بر منگنز یک کشف ضد شهودی است که با دانش فعلی در علم خوردگی قابل توضیح نیست.
با این حال، زمانی که نتایج متعددی در سطح اتمی ارائه شد، ما متقاعد شدیم. دکتر کایپینگ یو، نویسنده اول مقاله، که دکترای او تحت نظارت پروفسور هوانگ است، گفت: فراتر از غافلگیری، ما نمی توانیم منتظر بهره برداری از این مکانیسم باشیم.
از کشف اولیه فولاد ضد زنگ نوآورانه تا دستیابی به پیشرفت در درک علمی، و در نهایت آماده شدن برای انتشار رسمی و امیدواریم کاربرد صنعتی آن، تیم نزدیک به شش سال را به این کار اختصاص داد.
متفاوت از جامعه خوردگی فعلی، که عمدتاً بر مقاومت در پتانسیل های طبیعی تمرکز دارد، ما در توسعه آلیاژهای مقاوم با پتانسیل بالا تخصص داریم.
استراتژی ما بر محدودیت اساسی فولاد زنگ نزن معمولی غلبه کرد و الگویی را برای توسعه آلیاژ ایجاد کرد که در پتانسیل های بالا قابل استفاده است. این پیشرفت هیجان‌انگیز است و برنامه‌های کاربردی جدیدی به ارمغان می‌آورد.» پروفسور هوانگ گفت.
در حال حاضر، برای الکترولیزهای آب در محلول های نمک زدایی آب دریا یا محلول های اسیدی، تیتانیم با پوشش طلا یا پلاتین گران قیمت برای اجزای ساختاری مورد نیاز است.
به عنوان مثال، هزینه کل یک سیستم مخزن الکترولیز 10 مگاواتی PEM در مرحله فعلی تقریباً 17.8 میلیون دلار هنگ کنگ است که اجزای ساختاری تا 53٪ از هزینه کلی را تشکیل می دهند.
پیشرفتی که توسط تیم پروفسور هوانگ انجام شد، جایگزینی این اجزای ساختاری گران قیمت را با فولاد مقرون به صرفه‌تر ممکن می‌سازد.
همانطور که تخمین زده می شود، انتظار می رود استفاده از SS-H 2 هزینه مصالح سازه ای را تا حدود 40 برابر کاهش دهد که نشان دهنده پیش زمینه بزرگی از کاربردهای صنعتی است.
از مواد آزمایشی گرفته تا محصولات واقعی، مانند مش و فوم، برای الکترولیزهای آب، هنوز کارهای چالش برانگیزی در دست است.
در حال حاضر ما گام بزرگی در جهت صنعتی شدن برداشته ایم. تن ها سیم مبتنی بر SS-H2 با همکاری کارخانه ای از سرزمین اصلی تولید شده است.
پروفسور هوانگ افزود: ما در استفاده از SS-H 2 مقرون به صرفه تر در تولید هیدروژن از منابع تجدیدپذیر پیش می رویم.
مرجع: “استراتژی متوالی غیرفعال سازی دوگانه برای طراحی فولاد ضد زنگ مورد استفاده در بالای اکسیداسیون آب” توسط Kaiping Yu، Shihui Feng، Chao Ding، Meng Gu، Peng Yu و Mingxin Huang، 19 اوت 2023، Materials Today .
DOI: 10.1016/j.mattod.2023.07.022
