由香港大學機械工程系黃明欣教授領導的團隊在不銹鋼領域取得了重大進展。這項最新創新的重點是開發專為氫氣應用而設計的不銹鋼，即SS-H2。這項成果是黃教授正在進行的”超級鋼”計畫的一部分，該計畫曾在2021年創造出抗COVID-19不銹鋼，並在2017年和2020年開發出超強、超韌超級鋼，取得了顯著的階段性成果。

科學家們開發了一種突破性的製氫用不銹鋼SS-H2，與鈦相比，它具有卓越的耐腐蝕性和成本效益。這項創新可大幅降低水力發電解槽的材料成本，為利用再生資源生產價格較低廉的氫氣鋪路。上圖為研究團隊所開發的新型氫用不銹鋼。資料來源：香港大學

該團隊開發的新鋼材具有很強的耐腐蝕性，因此有可能應用於從海水中生產綠色氫氣，而這種新型的永續解決方案仍在醞釀中。

新鋼在鹽水電解槽中的性能與目前使用鈦作為結構件從淡化海水或酸中製氫的工業做法相當，而新鋼的成本卻便宜得多。這項發現已發表在《今日材料》雜誌上。研究成果目前正在多個國家申請專利，其中兩項已經獲得授權。

耐腐蝕性的革命性進步

自一個世紀前被發現以來，不銹鋼一直是廣泛應用於腐蝕性環境的重要材料。鉻是確保不銹鋼耐腐蝕性的重要元素。透過鉻（Cr）的氧化作用產生的被動膜可在自然環境中保護不銹鋼。遺憾的是，這種基於鉻的傳統單一鈍化機制阻礙了不銹鋼的進一步發展。由於穩定的Cr2O3 進一步氧化成可溶性六價鉻，在約1000 mV 的電壓下（飽和甘汞電極，SCE），傳統不銹鋼不可避免地會發生橫向被動腐蝕，而這一電壓低於約1600 mV 的水氧化所需的電位。

黃明欣教授和余開平博士。資料來源：香港大學

例如，254SMO 超級不銹鋼是鉻基防腐蝕合金中的標桿，在海水中具有卓越的抗點蝕能力；然而，轉相腐蝕限制了它在較高電位下的應用。

黃教授的研究團隊採用”順序雙鈍化”策略，開發了具有優異耐腐蝕性能的新型SS-H2。除了單一的以Cr2O3 為基底的被動層外，在~720 mV 時還會在前一層以Cr 為基底的被動層上形成第二層以Mn 為基底的被動層。這種連續的雙重鈍化機制可防止SS-H2 在氯化物介質中腐蝕至1700 mV 的超高電位。與傳統不銹鋼相比，SS-H2 實現了根本性的突破。

意外發現與潛在應用

“起初，我們並不相信，因為普遍認為錳會損害不銹鋼的耐腐蝕性。錳基鈍化是一個反直覺的發現，無法用現有的腐蝕科學知識來解釋。然而，當大量原子級的結果呈現在我們面前時，我們被說服了。除了驚訝，我們還迫不及待地想利用這一機理，”文章第一作者、黃教授指導的博士生餘凱平博士說。

從最初發現這種創新不銹鋼，到實現科學認識上的突破，再到最終準備正式發表並有望實現工業應用，團隊為這項工作投入了近六年的時間。

“與目前腐蝕界主要關注自然電位下的耐腐蝕性不同，我們專注於開發高電位耐腐蝕合金。我們的策略克服了傳統不銹鋼的基本限制，建立了適用於高電位的合金開發範例。這一突破令人振奮，並帶來了新的應用”。黃教授說。

目前，脫鹽海水或酸性溶液中的水電解槽需要昂貴的金或鉑塗層鈦作為結構組件。例如，現階段一個10兆瓦PEM電解槽系統的總成本約為1780萬港元，其中結構組件佔總成本的53%。黃教授團隊所取得的突破，使得用更經濟的鋼材取代這些昂貴的結構部件成為可能。據估計，SS-H2 的應用有望使結構材料的成本降低約40 倍，顯示出巨大的工業應用前景。

“從實驗材料到實際產品，如用於水電解槽的網格和泡沫，手頭的任務仍然充滿挑戰。目前，我們已經向工業化邁出了一大步。我們與內地一家工廠合作，生產了數噸以SS-H2 為基礎的金屬絲。”黃教授補充道：”我們正致力於將更經濟的SS-H2 應用於可再生資源製氫。”

編譯來源：ScitechDaily