低成本不锈钢的制氢之路｜科研创新
2024-01-12 12:06 
氢气是一种绿色能源，正逐步成为全球能源可持续发展的重要载体，也是推动全球低碳转型和实现全球「碳中和」目标的潜在支撑。近年来，随着全球政策引导与技术进步，氢能产业得到快速的发展。电解水作为当前绿色能源制氢（绿氢）最具前景的方法之一，备受科技界的关注，然而绿氢生产设备需大量采用纯钛和各种贵金属，昂贵的材料成本难以被市场接受。绿氢产业要获得市场竞争力以及最终实现商业化，必须依靠材料科学方面的突破。
理想载体 有待突破
自一个世纪前被发现以来，不锈钢一直是耐腐蚀的重要材料，广泛应用于建筑、交通运输、食品、医疗等领域。不锈钢是一种铁基合金，铁是我们生活中使用最广泛的金属，铁的储量极其丰富且价格远低于钛和各种贵金属。从这个角度来说，我们认为不锈钢完全有潜力作为关键材料，承载绿氢产业的商业化。
铬元素的添加是不锈钢耐腐蚀的关键所在。钝化膜是通过铬的氧化而形成的，可在自然环境中保护不锈钢不被腐蚀。然而，这种仅依赖单一铬钝化的机制，阻碍了不锈钢性能的进一步提升。由于稳定的三氧化二铬进一步氧化成可溶性六价铬，过钝化腐蚀通常发生在约1000 mV，故低于电解水制氢的工作电位。
前所未有 偶然中的必然
我们采用了一种全新的「连续双钝化」策略，开发出具有前所未有耐腐蚀性能的新型「制氢用不锈钢」。与传统单层钝化膜不同，「制氢用不锈钢」在早先铬基钝化膜的基础上形成了一层全新的锰基钝化膜。这种铬锰双钝化的组合，可保护「制氢用不锈钢」在氯化物介质中耐腐蚀至1700 mV，与传统不锈钢与镍基超级合金相比，大大提升了抗腐蚀能力。我们正在多个国家将相关成果申请专利，其中4项已经得到授权。
事实上，锰基钝化是一个违反直觉的发现。最初，我们并不相信这一发现，因为腐蚀科学界普遍的观点认为锰会损害不锈钢的耐腐蚀性。然而，当大量原子级证据出现时，我们被说服了。与当前腐蚀界主要关注自然电位下的腐蚀不同，现在我们专注于开发耐高电位腐蚀合金，弥补廉价不锈钢这一重大需求。这种新的「连续双钝化」策略克服了传统不锈钢的热力学局限性，也提供了一种适用于耐电位合金开发的范例。
锰是一种特别的合金元素，对合金的机械性能有着重要的调节作用，我们从事含锰钢的研究逾20年，并将其发展成高强度汽车用结构。
锰的钝化是偶然发现的，但这也源于对含锰钢多年坚持不懈的研究。我们相信，科学中的偶然常常诞生于必然之中。
开发低成本超耐腐蚀的新型材料对降低设备投入，对实现绿氢产业商业化至关重要，而我们的突破也带来了如此全新的跨界应用。对于海水或酸性溶液中的电解槽，其结构部件通常采用镀金或铂的纯钛材料，令其造价昂贵。例如，现阶段功率为10兆瓦的PEM电解槽设备，总体成本约为1780万港元，其中结构件成本比重可高达53%。
降低成本 全新跨界应用
我们的突破使得采用较经济的钢材取代这些昂贵的结构部件成为可能，据粗略估计，采用这种新型不锈钢，有望将结构材料成本降低约40倍，展现出巨大的工业应用价值。
从实验材料到工业化产品，必然也面临着各种挑战。目前，我们已经向工业化迈进了一大步。我们已经实现了「制氢用不锈钢」丝材和板材吨级别的生产，相信这种廉价钢铁材料未来一定能应用到绿氢电解槽的制备。
文：香港大学机械工程系系主任及材料技术讲座教授黄明欣、香港大学机械工程系副研究员余开平博士
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文章刊于《星岛日报》2024年1月12日教育版专栏「知识转移」
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