الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق الجديد لإنتاج الهيدروجين .. خفض تكلفة المواد الإنشائية بنحو 40 مرة
حقق مشروع بحثي طفرة في مجال الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي وتطوير الفولاذ المقاوم للصدأ للهيدروجين (SS-H 2).
ويمثل هذا إنجازًا كبيرًا آخر لفريق البروفيسور مينجكسين هوانج في قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هونج كونج (HKU) في مشروع “الفولاذ الفائق”، بعد تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ المضاد لكوفيد-19 في عام 2021، والفولاذ الفائق القوة والفائق الصلابة في عامي 2017 و2020 على التوالي.
يُظهر الفولاذ الجديد الذي طوره الفريق مقاومة عالية للتآكل، مما يتيح إمكانية تطبيقه لإنتاج الهيدروجين الأخضر من مياه البحر، حيث لا يزال هناك حل مستدام جديد في طور الإعداد.
أداء الفولاذ الجديد في المحلل الكهربائي للمياه المالحة يمكن مقارنته بالممارسات الصناعية الحالية التي تستخدم التيتانيوم كأجزاء هيكلية لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر المحلاة أو الحمض، في حين أن تكلفة الفولاذ الجديد أرخص بكثير.
تم نشر هذا الاكتشاف في مجلة Materials Today في ورقة بعنوان “استراتيجية التخميل المزدوج المتسلسل لتصميم الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم فوق أكسدة الماء”، تتقدم الإنجازات البحثية حاليًا بطلب للحصول على براءات اختراع في العديد من البلدان، وقد تم بالفعل منح ترخيص لاثنتين منها.
منذ اكتشافه قبل قرن من الزمان، كان الفولاذ المقاوم للصدأ دائمًا مادة مهمة تستخدم على نطاق واسع في البيئات المسببة للتآكل، يعد الكروم عنصرًا أساسيًا في تحديد مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ، يتم إنشاء الفيلم السلبي من خلال أكسدة الكروم (Cr) ويحمي الفولاذ المقاوم للصدأ في البيئات الطبيعية، ولسوء الحظ، فإن آلية التخميل الفردي التقليدية القائمة على الكروم قد أوقفت المزيد من التقدم في الفولاذ المقاوم للصدأ.
نظرًا لمزيد من أكسدة الكروم المستقر 2 O 3 إلى أنواع الكروم (VI) القابلة للذوبان، يحدث التآكل العابر حتمًا في الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي عند ~ 1000 مللي فولت (قطب كالوميل مشبع، SCE)، وهو أقل من الإمكانات المطلوبة لأكسدة الماء عند ~ 1600 مللي فولت.
على سبيل المثال، يعد الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق 254SMO معيارًا بين السبائك المضادة للتآكل القائمة على الكروم ويتمتع بمقاومة فائقة للتنقر في مياه البحر؛ ومع ذلك، فإن التآكل العابر يحد من تطبيقه عند الإمكانات الأعلى.
وباستخدام استراتيجية “التخميل المزدوج المتسلسل”، قام فريق بحث البروفيسور هوانغ بتطوير رواية SS-H 2 ذات المقاومة الفائقة للتآكل. بالإضافة إلى الطبقة المنفعلة القائمة على Cr 2 O 3، تتشكل طبقة ثانوية قائمة على Mn على الطبقة السابقة القائمة على Cr عند ~ 720 مللي فولت، تمنع آلية التخميل المزدوج التسلسلي SS-H 2 من التآكل في وسط الكلوريد إلى إمكانات عالية جدًا تبلغ 1700 مللي فولت، يُظهر SS-H 2 اختراقًا أساسيًا مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي.
وقال الدكتور كايبينج يو، المؤلف الأول للمقال، والذي حصل على درجة الدكتوراه يشرف عليه البروفيسور هوانج، “في البداية، لم نصدق ذلك لأن وجهة النظر السائدة هي أن المنغنيز يضعف مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ، إن التخميل المعتمد على المنغنيز هو اكتشاف غير بديهي، ولا يمكن تفسيره بالمعرفة الحالية في علم التآكل، ومع ذلك، عندما يتم استخدام العديد من الذرات الذرية “لقد تم تقديم النتائج على مستوى العالم، كنا مقتنعين. وبعيدًا عن المفاجأة، لا يمكننا الانتظار لاستغلال الآلية”.
منذ الاكتشاف الأولي للفولاذ المقاوم للصدأ المبتكر وحتى تحقيق اختراق في الفهم العلمي، والتحضير في نهاية المطاف للنشر الرسمي وتطبيقه الصناعي، كرس الفريق ما يقرب من ست سنوات للعمل.
وقال البروفيسور هوانج، “بخلاف مجتمع التآكل الحالي، الذي يركز بشكل أساسي على المقاومة عند الإمكانات الطبيعية، نحن متخصصون في تطوير سبائك ذات مقاومة عالية الإمكانات، تغلبت استراتيجيتنا على القيود الأساسية للفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي وأنشأت نموذجًا لتطوير السبائك القابلة للتطبيق عند الإمكانات العالية”، هذا الاختراق مثير ويجلب تطبيقات جديدة”.
في الوقت الحاضر، بالنسبة للمحللات الكهربائية للمياه في مياه البحر المحلاة أو المحاليل الحمضية، يلزم وجود Ti باهظ الثمن مطلي بـ Au أو Pt للمكونات الهيكلية، على سبيل المثال، تبلغ التكلفة الإجمالية لنظام خزان التحليل الكهربائي PEM بقدرة 10 ميجاوات في مرحلته الحالية حوالي 17.8 مليون دولار هونج كونج، وتساهم المكونات الهيكلية بما يصل إلى 53% من التكلفة الإجمالية.
خفض تكلفة المواد الإنشائية بنحو 40 مرة
إن التقدم الذي حققه فريق البروفيسور هوانج يجعل من الممكن استبدال هذه المكونات الهيكلية باهظة الثمن بفولاذ أكثر اقتصادا، وكما هو مقدر، من المتوقع أن يؤدي استخدام SS-H 2 إلى خفض تكلفة المواد الإنشائية بنحو 40 مرة، مما يدل على تقدم كبير في التطبيقات الصناعية.
وأضاف البروفيسور هوانج، “من المواد التجريبية إلى المنتجات الحقيقية، مثل الشبكات والرغاوي، لمحللات المياه الكهربائية، لا تزال هناك مهام صعبة في متناول اليد، حاليًا، خطونا خطوة كبيرة نحو التصنيع، وقد تم إنتاج أطنان من الأسلاك المعتمدة على SS-H2 بالتعاون مع مصنع من البر الرئيسي، نحن نمضي قدمًا في تطبيق SS-H 2 الأكثر اقتصادا في إنتاج الهيدروجين من مصادر متجددة”.
