قام العلماء بتطوير الفولاذ المقاوم للصدأ المبتكر، SS-H2، لإنتاج الهيدروجين الذي يوفر مقاومة فائقة للتآكل وفعالية من حيث التكلفة مقارنة بالتيتانيوم. يمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تقليل تكاليف المواد بشكل كبير في أجهزة التحليل الكهربائي للمياه، مما يمهد الطريق لإنتاج الهيدروجين بأسعار معقولة من مصادر متجددة. أعلاه هو الفولاذ المقاوم للصدأ الجديد للهيدروجين الذي طوره الفريق. الائتمان: جامعة هونغ كونغ
حقق فريق بقيادة البروفيسور مينجكسين هوانج من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هونج كونج تقدمًا كبيرًا في مجال الفولاذ المقاوم للصدأ. يركز هذا الابتكار الأخير على تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ المصمم لتطبيقات الهيدروجين والذي يسمى SS-H.2.
يعد هذا الإنجاز جزءًا من مشروع “Super Steel” المستمر للبروفيسور هوانغ، والذي حقق سابقًا إنجازات مهمة من خلال إنشاء مستضدات مضادة.كوفيد-19 تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ في عام 2021 والفولاذ الفائق القوة والفائق الصلابة في عامي 2017 و2020.
يُظهر الفولاذ الجديد الذي طوره الفريق مقاومة عالية للتآكل، مما يتيح إمكانية استخدامه لإنتاج الهيدروجين الأخضر من مياه البحر، حيث لا يزال هناك حل مستدام جديد في طور الإعداد.
إن أداء الفولاذ الجديد في المحلل الكهربائي للمياه المالحة يمكن مقارنته بالممارسات الصناعية الحالية لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر المحلاة باستخدام التيتانيوم كوحدات بناء. حامضتكلفة الفولاذ الجديد رخيصة جدًا.
وقد نشرت النتائج في المجلة المنتجات اليوم. ويجري حاليًا تطبيق الإنجازات البحثية للحصول على براءات اختراع في العديد من البلدان، وقد حصل اثنان منها بالفعل على الموافقة.
يُحدث ثورة في مقاومة التآكل
منذ اختراعه قبل قرن من الزمان، كان الفولاذ المقاوم للصدأ دائمًا مادة مهمة تستخدم على نطاق واسع في البيئات المسببة للتآكل. يعد الكروم عنصرًا مهمًا في تحديد مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ. يتكون الفيلم السلبي من أكسدة الكروم (Cr) ويحمي الفولاذ المقاوم للصدأ في البيئة الطبيعية. لسوء الحظ، أوقفت هذه الآلية التقليدية أحادية التمرير المعتمدة على الكروم المزيد من التطوير للفولاذ المقاوم للصدأ. بسبب مزيد من أكسدة الكروم المستقر2أوه3 كمادة قابلة للذوبان الكروم (VI). صِنفيحدث التآكل العابر حتمًا في الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي عند حوالي 1000 مللي فولت (قطب الكالوميل المشبع، SCE)، وهو أقل من الإمكانات المطلوبة لأكسدة الماء عند حوالي 1600 مللي فولت.
البروفيسور مينجكسين هوانج والدكتور كايبينج يو. الائتمان: جامعة هونغ كونغ
على سبيل المثال، يعد الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق 254SMO علامة مرجعية بين السبائك المقاومة للتآكل القائمة على الكروم، كما يتمتع بمقاومة ممتازة للتنقر في مياه البحر؛ ومع ذلك، فإن التآكل العابر يحد من استخدامه عند السعات الأعلى.
طورت مجموعة أبحاث البروفيسور هوانغ رواية SS-H باستخدام استراتيجية “السلبي المزدوج المستمر”.2 مع مقاومة عالية للتآكل. بالإضافة إلى CR واحد2أوه3الطبقة المنفعلة المستندة إلى المنغنيز، تتشكل طبقة ثانوية تعتمد على المنغنيز على الطبقة السابقة المستندة إلى الكروم عند 720 مللي فولت تقريبًا. تمنع آلية المعالجة المزدوجة المتسلسلة SS-H2 إلى إمكانات عالية جدًا تبلغ 1700 مللي فولت من التآكل في وسط الكلوريد. سس-ح2 يُظهر تحسنًا أساسيًا مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي.
اكتشاف غير متوقع والتطبيقات الممكنة
“في البداية، لم نصدق ذلك لأنه من الثابت أن المنغنيز يؤثر على مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ. إن التخميل المعتمد على المنغنيز هو نتيجة غير بديهية لا يمكن تفسيرها بالمعرفة الحالية في علم التآكل. ومع ذلك، عندما يتم استخدام عدة ذرات ذرية، وقال الدكتور كايبينغ يو، المؤلف الأول للورقة البحثية، والذي يشرف البروفيسور هوانغ على درجة الدكتوراه: “تم تقديم النتائج على المستوى، كنا مقتنعين. وبعيدًا عن المفاجأة، لا يمكننا الانتظار لاستخدام الآلية”.
منذ الاكتشاف الأولي للفولاذ المقاوم للصدأ المبتكر وحتى تحقيق اختراق في الفهم العلمي، وأخيرًا التحضير للإصدار الرسمي واستخدامه الصناعي، كرس الفريق ما يقرب من ست سنوات للعمل.
“بخلاف مجتمع التآكل الحالي، الذي يركز بشكل أساسي على مقاومة القوى الطبيعية، نحن متخصصون في تطوير سبائك ذات قدرة عالية على المقاومة. وتتجاوز استراتيجيتنا القيود الأساسية للفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي وتؤسس لسابقة. تعبير مطابقة التنمية في المهارات العليا. هذا التقدم مثير ويجلب تطبيقات جديدة. وقال البروفيسور هوانغ.
في الوقت الحالي، تتطلب الإلكتروليتات المائية الموجودة في مياه البحر المحلاة أو المحاليل الحمضية طلاء Ti باهظ الثمن للمكونات الهيكلية. على سبيل المثال، تبلغ التكلفة الإجمالية لنظام خزان التحليل الكهربائي PEM بقدرة 10 ميجاوات في حالته الحالية حوالي 17.8 مليون دولار هونج كونج، مع مساهمة المكونات الهيكلية بما يصل إلى 53% من التكلفة الإجمالية. إن الإنجاز الذي حققته مجموعة البروفيسور هوانغ يجعل من الممكن استبدال هذه العناصر الهيكلية باهظة الثمن بفولاذ أكثر اقتصادا. كما هو مقدر، توظيف SS-H2 ومن المتوقع أن يخفض تكلفة مواد البناء بنحو 40 مرة، مما يثبت المنظور الرائع للتطبيقات الصناعية.
“من المواد التجريبية إلى المنتجات الفعلية مثل الشبكات والرغاوي للكهارل المائية، لا تزال هناك مهام صعبة في متناول اليد. حاليًا، اتخذنا خطوة كبيرة نحو التصنيع. وقد تم إنتاج أطنان من الأسلاك القائمة على SS-H2 بالتعاون مع أحد المصانع من البر الرئيسي.إن SS الأكثر اقتصادا- نحن نحرز تقدما في استخدام H2 وأضاف البروفيسور هوانغ: “في إنتاج الهيدروجين من مصادر متجددة”.
المرجع: Kaiping Yu، Shihui Feng، Zhao Ding، Meng Gu، Peng Yu، Mingxin Huang، 19 أغسطس 2023، “استراتيجية التخميل المزدوج المستمر لتصميم الفولاذ المقاوم للصدأ المطبق فوق أكسدة الماء” المنتجات اليوم.
دوى: 10.1016/j.mattod.2023.07.022
