Nhóm kỹ thuật phát triển thép siêu không gỉ mới để sản xuất hydro
Charis Lai, Đại học Hồng Kông
Loại thép không gỉ mới dành cho hydro được nhóm nghiên cứu phát triển. Nguồn: Đại học Hồng Kông
Một dự án nghiên cứu do Giáo sư Mingxin Huang tại Khoa Cơ khí của Đại học Hồng Kông (HKU) dẫn đầu đã tạo ra bước đột phá về thép không gỉ thông thường và phát triển thép không gỉ sản xuất hydro (SS-H2).
Điều này đánh dấu một thành tựu lớn khác của nhóm Giáo sư Huang trong Dự án 'Siêu thép', sau sự phát triển của thép không gỉ chống Covid-19 vào năm 2021 và Super Steel siêu bền và siêu cứng lần lượt vào năm 2017 và 2020.
Loại thép mới do nhóm nghiên cứu phát triển có khả năng chống ăn mòn cao, cho phép ứng dụng tiềm năng vào sản xuất hydro xanh từ nước biển, nơi một giải pháp bền vững mới vẫn đang được triển khai.
Hiệu suất của loại thép mới trong máy điện phân nước muối tương đương với phương pháp công nghiệp hiện nay sử dụng Titanium làm bộ phận kết cấu để sản xuất hydro từ nước biển hoặc axit đã khử muối, trong khi giá thành của thép mới rẻ hơn nhiều.
Phát hiện này đã được công bố trên tạp chí Material Today trong bài báo có tiêu đề "Chiến lược thụ động kép tuần tự để thiết kế thép không gỉ được sử dụng để chống lại quá trình oxy hóa nước". Các thành tựu nghiên cứu hiện đang được xin cấp bằng sáng chế ở nhiều quốc gia và hai trong số đó đã được cấp phép.
Kể từ khi được phát hiện cách đây một thế kỷ, thép không gỉ luôn là vật liệu quan trọng được sử dụng rộng rãi trong môi trường ăn mòn. Crom là một yếu tố thiết yếu trong việc thiết lập khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ. Màng thụ động được tạo ra thông qua quá trình oxy hóa crom (Cr) và bảo vệ thép không gỉ trong môi trường tự nhiên. Thật không may, cơ chế thụ động đơn thông thường dựa trên Cr này đã ngăn cản sự phát triển hơn nữa của thép không gỉ.
Do quá trình oxy hóa tiếp tục Cr2O3 thành các loại Cr(VI) hòa tan, nên hiện tượng ăn mòn xuyên qua chắc chắn xảy ra ở thép không gỉ thông thường ở ~1000 mV (điện cực calomel bão hòa, SCE), thấp hơn điện thế cần thiết cho quá trình oxy hóa nước ở ~1600 mV.
Ví dụ, thép siêu không gỉ 254SMO là chuẩn mực trong số các hợp kim chống ăn mòn gốc Cr và có khả năng chống rỗ vượt trội trong nước biển; tuy nhiên, ăn mòn xuyên qua hạn chế ứng dụng của nó ở điện thế cao hơn.
Bằng cách sử dụng chiến lược "thụ động kép tuần tự", nhóm nghiên cứu của Giáo sư Huang đã phát triển SS-H2 mới với khả năng chống ăn mòn vượt trội. Ngoài lớp thụ động dựa trên Cr2O3 đơn lẻ, một lớp dựa trên Mn thứ cấp hình thành trên lớp dựa trên Cr trước đó ở mức ~720 mV. Cơ chế thụ động kép tuần tự ngăn SS-H2 bị ăn mòn trong môi trường clorua đến mức điện thế cực cao 1700 mV. SS-H2 thể hiện bước đột phá cơ bản so với thép không gỉ thông thường.
Nguồn: Đại học Hồng Kông
"Ban đầu, chúng tôi không tin điều đó vì quan điểm phổ biến cho rằng Mn làm suy yếu khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ. Sự thụ động dựa trên Mn là một khám phá phản trực giác, không thể giải thích được bằng kiến thức hiện tại về khoa học ăn mòn. Tuy nhiên, khi có nhiều nguyên tử Tiến sĩ Kaiping Yu, tác giả đầu tiên của bài báo, có bằng tiến sĩ, cho biết: “Kết quả cấp độ đã được trình bày, chúng tôi bị thuyết phục. Ngoài việc ngạc nhiên, chúng tôi nóng lòng muốn khai thác cơ chế này”. được hướng dẫn bởi Giáo sư Huang.
Từ phát hiện ban đầu về thép không gỉ cải tiến đến đạt được bước đột phá trong hiểu biết khoa học và cuối cùng là chuẩn bị cho công bố chính thức và hy vọng ứng dụng công nghiệp của nó, nhóm nghiên cứu đã dành gần sáu năm cho công việc này.
"Khác với cộng đồng ăn mòn hiện tại, vốn chủ yếu tập trung vào khả năng chống lại tiềm năng tự nhiên, chúng tôi chuyên phát triển các hợp kim có khả năng chống lại tiềm năng cao. Chiến lược của chúng tôi đã khắc phục hạn chế cơ bản của thép không gỉ thông thường và thiết lập một mô hình phát triển hợp kim có thể áp dụng ở tiềm năng cao . Bước đột phá này thật thú vị và mang đến những ứng dụng mới.” Giáo sư Huang cho biết.
Hiện nay, đối với các máy điện phân nước trong nước biển đã khử muối hoặc dung dịch axit, cần có Ti phủ Au hoặc Pt đắt tiền cho các bộ phận cấu trúc. Ví dụ, tổng chi phí của hệ thống bể điện phân PEM 10 megawatt ở giai đoạn hiện tại là khoảng 17,8 triệu đô la Hồng Kông, trong đó các thành phần cấu trúc đóng góp tới 53% tổng chi phí.
Bước đột phá do nhóm của Giáo sư Huang thực hiện giúp có thể thay thế các thành phần kết cấu đắt tiền này bằng thép tiết kiệm hơn. Theo ước tính, việc sử dụng SS-H2 dự kiến sẽ cắt giảm chi phí vật liệu kết cấu khoảng 40 lần, thể hiện tiền đề tuyệt vời của các ứng dụng công nghiệp.
"Từ vật liệu thử nghiệm đến sản phẩm thực tế, chẳng hạn như lưới và bọt, dành cho máy điện phân nước, vẫn còn những nhiệm vụ đầy thách thức. Hiện tại, chúng tôi đã đạt được một bước tiến lớn công nghiệp hóa ard. Hàng tấn dây làm từ SS-H2 đã được sản xuất với sự hợp tác của một nhà máy ở Đại lục. Giáo sư Huang cho biết thêm: “Chúng tôi đang tiến tới áp dụng SS-H2 tiết kiệm hơn trong sản xuất hydro từ các nguồn tái tạo”.
