Uma equipe da Universidade de Hong Kong (HKU) desenvolveu um novo tipo de aço inoxidável que pode superar uma grande limitação do aço inoxidável convencional e potencialmente reduzir o custo de produção de hidrogênio verde.
Liderados pelo professor Mingxin Huang, do Departamento de Engenharia Mecânica da HKU, os pesquisadores desenvolveram aço inoxidável para hidrogênio (SS-H).2um material projetado para resistir à corrosão severa sob condições que o aço inoxidável comum não consegue suportar.
Este desenvolvimento é o mais recente resultado do projeto “Super Steel” de Huang. Sua equipe já havia desenvolvido aço inoxidável com propriedades anticovid em 2021, juntamente com formas superfortes e duras de Super Steel em 2017 e 2020.
Novo aço para hidrogênio verde
SS-H2 É muito promissor devido à sua resistência à corrosão. Esta característica poderá torná-lo útil em sistemas que produzem hidrogénio verde a partir da água do mar, uma área onde os investigadores ainda procuram tecnologias práticas e sustentáveis.
O hidrogênio pode ser produzido por eletrólise, um processo que usa eletricidade para dividir a água em hidrogênio e oxigênio. Quando essa eletricidade provém de fontes renováveis, o combustível resultante é frequentemente descrito como hidrogénio verde. No entanto, o equipamento utilizado para eletrólise deve resistir a condições químicas e elétricas adversas, especialmente quando há sal envolvido.
Numa eletrólise de água salgada, o novo aço tem desempenho comparável aos componentes estruturais de titânio, que são atualmente usados para produzir hidrogênio a partir de água do mar dessalinizada ou soluções ácidas. A principal diferença está no custo. SS-H2 É significativamente mais barato.
As descobertas foram publicadas em Matéria de hoje Em um estudo intitulado “Uma estratégia de passivação dupla sequencial para o projeto de aço inoxidável usado na oxidação acima da água”. Os pesquisadores solicitaram patentes que abrangem a tecnologia em diversos países, e duas patentes já foram concedidas.
Por que o aço inoxidável comum é limitado?
O aço inoxidável está em uso há quase um século e se tornou um dos materiais mais importantes para aplicações onde a corrosão é uma preocupação. A maior parte de sua durabilidade vem do cromo.
Quando o cromo (Cr) no aço reage com o ambiente, forma uma fina camada protetora na superfície. Esta camada passiva ajuda a prevenir mais corrosão do metal subjacente.
Mas para os aços inoxidáveis convencionais, esta proteção tem uma limitação importante.
O óxido de cromo protege o cromo2Ó3pode sofrer oxidação adicional e formar espécies solúveis de Cr (VI). Quando isso acontece, a superfície pode entrar em uma forma de degradação conhecida como corrosão por pites.
No aço inoxidável convencional, esse processo pode ocorrer em torno de 1000 mV (eletrodo de calomelano saturado, SCE). A oxidação da água, uma reação essencial durante a eletrólise, requer um potencial muito maior de ~1600 mV. Essa incompatibilidade impediu que o aço inoxidável convencional fosse usado de forma eficaz em algumas aplicações eletroquímicas de alta tensão.
Até mesmo o aço inoxidável 254SMO, uma liga resistente à corrosão à base de cromo com excelente resistência à corrosão na água do mar, apresenta esse problema. Quando o potencial eléctrico é suficientemente elevado, a sua resistência à corrosão diminui.
Segunda camada protetora incrível
O grupo de Huang encontrou uma maneira de contornar essa limitação de longa data usando o que os pesquisadores chamam de “passivação dupla sequencial”.
Em vez de confiar na tradicional camada protetora de óxido de cromo, o SS-H2 Ele cria outra camada protetora em cima dele. Esta segunda camada é à base de manganês e começa a se formar por volta de 720mV.
Juntas, essas duas camadas permitem que o aço resista à corrosão em ambientes contendo cloretos em potenciais de 1700 mV. Os cloretos, abundantes na água do mar, são particularmente agressivos para muitos metais e podem causar corrosão localizada.
Atingir 1700 mV é importante porque leva o material além do potencial necessário para a oxidação da água. Então os pesquisadores veem SS-H2 Como uma melhoria fundamental em relação ao aço inoxidável convencional.
O que torna o resultado particularmente impressionante é o papel do manganês. Tradicionalmente, o manganês tem sido considerado prejudicial à resistência à corrosão do aço inoxidável.
“No início, não acreditávamos porque a visão predominante é que o Mn prejudica a resistência à corrosão do aço inoxidável. A passivação à base de Mn é uma descoberta contra-intuitiva que não pode ser explicada pelo conhecimento atual na ciência da corrosão. No entanto, ficamos convencidos quando vários resultados foram apresentados em nível atômico. O estudo, cujo doutorado é supervisionado pelo professor Huang.
Quase seis anos de pesquisa
O projeto durou quase seis anos, começando com a descoberta do aço incomum e continuando com esforços para entender por que ele se comportava no nível atômico. O trabalho acabou progredindo em direção a uma possível liberação e uso industrial.
Em vez de se concentrar em como as ligas resistem à corrosão em condições normais, o grupo de Huang concentrou-se no desenvolvimento de materiais que permanecessem estáveis em potenciais elétricos muito mais elevados.
“Diferentemente da atual comunidade de corrosão, que se concentra principalmente na resistência em potenciais naturais, nos especializamos no desenvolvimento de ligas resistentes de alto potencial. Nossa estratégia supera a limitação fundamental do aço inoxidável convencional e cria um modelo para o desenvolvimento de ligas que pode ser usado em altos potenciais. Este desenvolvimento é estimulante e traz novas aplicações.” Professor Huang disse.
Uma redução potencial de 40 vezes nos custos de material
As consequências económicas podem ser significativas.
Eletrolisadores que operam com água do mar dessalinizada ou soluções ácidas atualmente exigem componentes caros de titânio revestidos com ouro ou platina. Esses materiais podem representar uma grande parte do custo de um sistema de eletrólise.
De acordo com os pesquisadores, um sistema de tanque de eletrólise PEM de 10 MW custa atualmente aproximadamente HK$ 17,8 milhões. PEM refere-se à eletrólise por membrana de troca de prótons, uma tecnologia que usa um sistema de membrana alimentado eletricamente para separar a água em hidrogênio e oxigênio.
Os componentes estruturais podem representar até 53% do custo total do sistema.
Os pesquisadores acreditam que SS-H2 Ele pode substituir algumas dessas peças caras por aço muito mais acessível. As suas estimativas mostram que a utilização deste novo material poderá reduzir o custo dos materiais estruturais em cerca de 40 vezes, conferindo-lhe um potencial significativo para a produção industrial de hidrogénio.
Passando do laboratório para a indústria
Ainda restam desafios significativos de engenharia antes que o material possa ser amplamente utilizado. Os eletrolisadores exigem componentes em formas práticas, como malha metálica e espuma, portanto, o desempenho do laboratório por si só não é suficiente.
No entanto, os pesquisadores iniciaram o movimento SS-H2 Rumo à produção em grande escala
De materiais experimentais a produtos reais, como malha e espuma, para eletrolisadores de água, ainda existem tarefas desafiadoras. Agora, demos um grande passo em direção à industrialização. Tonelada SS-H2O fio base é produzido em cooperação com uma fábrica do continente. Estamos avançando no uso de SS-H mais acessíveis2 O professor Huang acrescentou: na produção de hidrogénio a partir de fontes renováveis.
Uma combinação de alta resistência à corrosão e custos de material muito mais baixos pode tornar o SS-H2 É especialmente valioso se funcionar de forma confiável em eletrolisadores comerciais. Se a tecnologia for transferida com sucesso do aço experimental para peças industriais, poderá fornecer uma rota mais barata para produzir hidrogénio verde a partir de energia renovável e água do mar.
