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港大工程团队超级钢项目又一重大突破 成功研发制氢用不锈钢 |
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| http://cn.newmaker.com
11/17/2023 7:27:03 PM
佳工机电网
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香港 - Media OutReach - 2023年11月17日 - 香港大学（港大）机械工程系黄明欣教授领导的「超级钢」研发项目取得重大突破，团队研发 "制氢用不锈钢"崭新超级钢材，其耐盐水腐蚀和制氢表现，远优于任何传统及商业用不锈钢。
这是黄明欣教授工程团队继研发杀灭新冠病毒的不锈钢材（2021年）、超强超韧（2017年及2020年）超级钢材，新超级钢材研发工作又一重要突破。
目前工业制氢主要利用碱性或中性（弱酸性）溶液，海水作为制氢来源，一般需要经过淡化，电解槽的结构部件通常采用镀金或铂的纯钛材料，成本昂贵。
团队研发的「制氢用不锈钢」可在盐水中直接产氢，亦可替换纯钛结构部件，使得结构部件成本便宜数十倍，更为目前仍处于研究和开发阶段的海水制氢技术，提供可行并具经济效益的潜在解决方案。
研究成果已在材料科學領域的旗艦期刊《今日材料》（Materials Today）發表，題為"A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation"。
新超级钢材正在申请多国专利，有两项已得到授权，并有业界表达合作开发的兴趣。
不锈钢自一个世纪前被发现以来，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。 不锈钢是一种合金，铬（chromium）元素的添加是其耐腐蚀的关键所在。 通过铬的氧化而形成的钝化膜（铬钝化），可在自然环境中保护不锈钢不被腐蚀。 然而，当铬进一步氧化形成可溶性六价铬，会出现过钝化腐蚀的现象，阻碍了不锈钢的耐腐蚀性能，这通常在约1,000 mV（饱和甘汞， SCE）发生 ，低于电解水制氢的约1,600mV工作电位。
目前铬基防腐合金的标杆是254SMO超级不铖钢，其在海水中具有优异的抗腐蚀能力;然而，过钝化腐蚀限制了其在更高电位下的应用。
港大黄明欣教授团队采用了一种全新的「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，新型不锈钢在铬基钝化膜的基础上形成了一层全新的锰（Manganese）基钝化膜。 这种铬锰双钝化的组合可保护新型不锈钢在氯化物介质中耐腐蚀至1700 mV，与传统不锈钢相比，抗腐蚀能力大幅提升。
"当初我们并不相信锰基钝化这一发现，这是反直觉的，当前知识无法解释，因为普遍的观点认为锰会损害不锈钢的耐腐蚀性。 然而，当我们进一步研究，对这现象取得更多原子层面的证据，终于被说服了。 惊讶之余，我们更加迫不及待地想利用这一机制。" 论文的第一作者、黄教授的学生余开平博士说。
从发现锰基钝化到科学理论的突破，至研究结果正式发表开启新型不锈钢工业化应用之门，团队花了近六年的时间。
"与当前腐蚀界主要关注自然电位下的腐蚀不同，我们专注于开发耐高电位腐蚀合金，''连续双钝化''克服了传统不锈钢的热力学局限性，提供了一种适用于耐电位合金开发的范例。 这一突破令人兴奋，并开拓了全新的应用领域。" 黄教授说。
目前利用淡化的海水或酸性溶液制氢，使用昂贵的镀金或铂的纯钛材料作为电解槽结构部件，现阶段功率为10兆瓦的PEM电解槽设备总体成本约为1,780万港元，其中结构件成本比重可高达53%，团队研发的新型不锈钢有望将结构材料成本降低约40倍。
"这展示出巨大的工业应用价值。 然而，从实验材料到工业化产品，必然面临着各种挑战。 我们与中国内地一家工厂合作，成功制造以吨计的新型不锈钢钢丝，作更多的测试，期望将这具经济效益的钢材推进应用到可再生能源制氢，向工业化迈进。" 黄教授补充说。
論文連結：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1369702123002390
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