Uusi 'super teräs' hämmästyttää tutkijoita – voi mullistaa vihreän vedyn tuotannon

Vihreän vedyn tuotannossa on yksi jatkuva ongelma: miten rakentaa elektrolyysereitä, jotka kestävät meriveden syövyttävät olosuhteet mutta ovat silti tarpeeksi edullisia laajamittaiseen käyttöön. Hongkongin yliopistossa on nyt kehitetty materiaali, joka saattaa muuttaa tilanteen.

Professori Mingxin Huangin johtama tutkimusryhmä esitteli uuden ruostumattoman teräksen, jolle he antavat nimen SS-H2. Se on kehitetty nimenomaan vedyntuotantoa varten, ja se pärjää olosuhteissa, jotka yleensä vievät tavallisen ruostumattoman teräksen äärirajoille. Tulokset on julkaistu Materials Today -lehdessä.

Miksi tavallinen ruostumaton teräs ei riitä

Ruostumaton teräs on toiminut syövyttävissä ympäristöissä jo yli sata vuotta, ja sen salaisuus on kromi. Kromi hapettuu ja muodostaa ohuen suojaavan kalvon teräksen pinnalle. Ongelma on kuitenkin siinä, että tämä suoja hajoaa korkeissa sähköisissä jännitteissä – juuri sellaisissa kuin elektrolyysissä tarvitaan.

Vedyn tuottamiseksi vedestä tarvitaan noin 1600 millivoltin jännite. Tavallinen ruostumaton teräs alkaa syöpyä jo noin 1000 millivoltin kohdalla, kun kromin suojakalvo hajoaa ja muuttuu liukoiseksi. Edes erityisen syöpymistä kestävä 254SMO-superteräs ei selviä tästä haasteesta.

Kaksi suojakerrosta yhden sijaan

HKU:n tutkijat kehittivät ratkaisun, jota he kutsuvat 'peräkkäiseksi kaksoispassivoinnniksi'. SS-H2 muodostaa ensin tutun kromioksidipohjaisen suojakerroksen. Mutta sen jälkeen, noin 720 millivoltin kohdalla, teräksen pinnalle kasvaa toinen kerros – tällä kertaa mangaanipohjainen. Tämä toinen suoja pitää teräksen ehjänä jopa 1700 millivoltin jännitteessä, mikä riittää hyvin vedyntuotantoon.

Mieleenkiintoisinta on se, että mangaanin ei ole perinteisesti ajateltu parantavan ruostumattoman teräksen syöpymiskestävyyttä – päinvastoin. Siksi löydös yllätti tutkijatkin.

'Emme aluksi uskoneet sitä, koska vallitseva käsitys on, että mangaani heikentää ruostumattoman teräksen syöpymiskestävyyttä. Mangaanipohjainen passivointi on vastaintuitiivinen löydös, jota nykyinen korroosiotieteen tieto ei pysty selittämään. Mutta kun atomitason tuloksia kertyi runsaasti, vakuutuimme,' kertoi artikkelin pääkirjoittaja, tohtori Kaiping Yu.

Huomattavasti halvempi kuin titaani

Käytännön merkitys on iso. Nykyisissä teollisissa elektrolyyserijärjestelmissä rakenneosat on tehty titaanista, johon on usein pinnoitettu jalometalleja kuten kultaa tai platinaa. Se on kallista.

HKU:n laskelmien mukaan 10 megawatin PEM-elektrolyysilaitteiston kokonaishinnasta jopa 53 prosenttia tulee rakenteellisista osista. Jos ne korvattaisiin SS-H2-teräksellä, rakennemateriaalikustannukset voisivat laskea noin 40-kertaisesti.

Laboratoriosta tehtaaseen

Kehitystyö ei ole jäänyt pelkäksi tutkimukseksi. Ensimmäinen havainto tehtiin lähes kuusi vuotta sitten, ja siitä lähtien ryhmä on työstänyt sekä tieteellistä selitystä että käytännön sovelluksia. Keksinnölle on haettu patentteja useissa maissa, ja kaksi patenttia oli jo myönnetty tutkimuksen julkaisuhetkellä.

Lisäksi mannerkiinalaisessa tehtaassa on jo valmistettu tonnimäärin SS-H2-pohjaista lankaa.

'Olemme ottaneet ison askeleen kohti teollistamista. Teemme edelleen töitä sen eteen, että tätä edullisempaa materiaalia voidaan oikeasti hyödyntää uusiutuvan energian vedyntuotannossa,' professori Huang sanoi.

Vihreän vedyn tuotanto on yksi puhtaan energian isoista lupauksista, mutta materiaalikustannukset ovat hidastaneet kehitystä. Jos SS-H2 lunastaa lupauksensa teollisessa mittakaavassa, sillä voi olla todellista merkitystä sille, kuinka nopeasti ja edullisesti vihreää vetyä saadaan laajempaan käyttöön.