低成本不鏽鋼的製氫之路｜科研創新
2024-01-12 12:06 
氫氣是一種綠色能源，正逐步成為全球能源可持續發展的重要載體，也是推動全球低碳轉型和實現全球「碳中和」目標的潛在支撐。近年來，隨着全球政策引導與技術進步，氫能產業得到快速的發展。電解水作為當前綠色能源製氫（綠氫）最具前景的方法之一，備受科技界的關注，然而綠氫生產設備需大量採用純鈦和各種貴金屬，昂貴的材料成本難以被市場接受。綠氫產業要獲得市場競爭力以及最終實現商業化，必須依靠材料科學方面的突破。
理想載體 有待突破
自一個世紀前被發現以來，不鏽鋼一直是耐腐蝕的重要材料，廣泛應用於建築、交通運輸、食品、醫療等領域。不鏽鋼是一種鐵基合金，鐵是我們生活中使用最廣泛的金屬，鐵的儲量極其豐富且價格遠低於鈦和各種貴金屬。從這個角度來說，我們認為不鏽鋼完全有潛力作為關鍵材料，承載綠氫產業的商業化。
鉻元素的添加是不鏽鋼耐腐蝕的關鍵所在。鈍化膜是通過鉻的氧化而形成的，可在自然環境中保護不鏽鋼不被腐蝕。然而，這種僅依賴單一鉻鈍化的機制，阻礙了不鏽鋼性能的進一步提升。由於穩定的三氧化二鉻進一步氧化成可溶性六價鉻，過鈍化腐蝕通常發生在約1000 mV，故低於電解水製氫的工作電位。
前所未有 偶然中的必然
我們採用了一種全新的「連續雙鈍化」策略，開發出具有前所未有耐腐蝕性能的新型「製氫用不鏽鋼」。與傳統單層鈍化膜不同，「製氫用不鏽鋼」在早先鉻基鈍化膜的基礎上形成了一層全新的錳基鈍化膜。這種鉻錳雙鈍化的組合，可保護「製氫用不鏽鋼」在氯化物介質中耐腐蝕至1700 mV，與傳統不鏽鋼與鎳基超級合金相比，大大提升了抗腐蝕能力。我們正在多個國家將相關成果申請專利，其中4項已經得到授權。
事實上，錳基鈍化是一個違反直覺的發現。最初，我們並不相信這一發現，因為腐蝕科學界普遍的觀點認為錳會損害不鏽鋼的耐腐蝕性。然而，當大量原子級證據出現時，我們被說服了。與當前腐蝕界主要關注自然電位下的腐蝕不同，現在我們專注於開發耐高電位腐蝕合金，彌補廉價不鏽鋼這一重大需求。這種新的「連續雙鈍化」策略克服了傳統不鏽鋼的熱力學局限性，也提供了一種適用於耐電位合金開發的範例。
錳是一種特別的合金元素，對合金的機械性能有着重要的調節作用，我們從事含錳鋼的研究逾20年，並將其發展成高強度汽車用結構。
錳的鈍化是偶然發現的，但這也源於對含錳鋼多年堅持不懈的研究。我們相信，科學中的偶然常常誕生於必然之中。
開發低成本超耐腐蝕的新型材料對降低設備投入，對實現綠氫產業商業化至關重要，而我們的突破也帶來了如此全新的跨界應用。對於海水或酸性溶液中的電解槽，其結構部件通常採用鍍金或鉑的純鈦材料，令其造價昂貴。例如，現階段功率為10兆瓦的PEM電解槽設備，總體成本約為1780萬港元，其中結構件成本比重可高達53%。
降低成本 全新跨界應用
我們的突破使得採用較經濟的鋼材取代這些昂貴的結構部件成為可能，據粗略估計，採用這種新型不鏽鋼，有望將結構材料成本降低約40倍，展現出巨大的工業應用價值。
從實驗材料到工業化產品，必然也面臨着各種挑戰。目前，我們已經向工業化邁進了一大步。我們已經實現了「製氫用不鏽鋼」絲材和板材噸級別的生產，相信這種廉價鋼鐵材料未來一定能應用到綠氫電解槽的製備。
文：香港大學機械工程系系主任及材料技術講座教授黃明欣、香港大學機械工程系副研究員余開平博士
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文章刊於《星島日報》2024年1月12日教育版專欄「知識轉移」
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