No processo de expansão da capacidade de produção de hidrogénio verde, o verdadeiro estrangulamento muitas vezes não está no fornecimento de energia, mas em materiais essenciais. Especialmente para equipamentos de produção de hidrogênio para eletrólise de água do mar, o ambiente de trabalho é de alta tensão e altamente corrosivo, dificultando a operação estável da maioria dos metais por um longo período. Eles são forçados a depender de ligas de titânio caras e revestimentos de metais preciosos, o que aumenta os custos do sistema e limita a implantação em larga escala.Uma equipa de investigação da Universidade de Hong Kong está a tentar quebrar esta situação. A equipe liderada pelo professor Huang Mingxin desenvolveu uma nova liga de aço inoxidável SS-H2 que pode funcionar de forma estável por um longo tempo em um ambiente eletrolítico severo e afirma que deverá substituir componentes caros existentes.

Esta pesquisa, publicada na revista Materials Today, é um dos mais recentes desenvolvimentos no projeto de pesquisa de longo prazo "Super Steel" da equipe de Huang Mingxin, que já lançou ligas de ultra-alta resistência e materiais de aço inoxidável com propriedades antibacterianas. O objetivo do projeto do SS-H2 é permanecer estável na faixa de potencial onde o aço inoxidável tradicional falha e é especialmente adequado para dispositivos de eletrólise que utilizam diretamente água do mar. Os pesquisadores apontaram que o principal problema atual é que a resistência à corrosão do aço inoxidável depende principalmente do denso filme de óxido formado pelo cromo. Este mecanismo funciona bem em ambientes industriais e marítimos em geral, mas será completamente quebrado sob condições de eletrólise de alto potencial.

Experimentos mostram que quando o potencial sobe para cerca de 1.000 mV (em relação a um eletrodo de calomelano saturado), o filme de óxido de cromo na superfície do aço inoxidável tradicional começará a se decompor, gerando espécies solúveis e causando corrosão severa, enquanto reações eficientes de oxidação da água geralmente requerem um potencial de cerca de 1.600 mV. Mesmo a liga 254SMO de alta qualidade, projetada para ambientes agressivos de água do mar, não consegue permanecer estável em potenciais tão elevados. Portanto, muitos sistemas de eletrólise atuais só podem usar peças estruturais à base de titânio complementadas por revestimentos de metais preciosos, como platina e ouro. Embora confiáveis, eles aumentam muito o custo do equipamento, especialmente após a expansão para escala industrial.

A ideia do SS-H2 é mudar a forma como o metal se protege. No aço inoxidável convencional, a proteção é fornecida principalmente por um único filme de óxido de cromo; no SS-H2, o material forma sequencialmente duas camadas protetoras durante a operação: primeiro um filme convencional de óxido à base de cromo e, em seguida, em um potencial mais alto (aproximadamente 720 mV), uma camada protetora à base de manganês é formada acima dele. É esta segunda camada de proteção que permite que o material permaneça estável até cerca de 1.700 mV, cobrindo assim a faixa de tensão necessária para a separação da água.

É importante notar que a introdução do manganês em si é bastante inesperada. No pensamento tradicional, muitas vezes acredita-se que o manganês enfraquece a resistência à corrosão do aço inoxidável, em vez de melhorá-la. Yu Kaiping, o primeiro autor do artigo, lembrou que a equipe inicialmente achou difícil acreditar que o Mn pudesse ajudar a formar uma camada de passivação estável porque era contrário ao conhecimento existente da ciência da corrosão. No entanto, após a apresentação de um grande número de resultados experimentais em escala atômica, eles finalmente confirmaram esse fenômeno "contra-intuitivo" de passivação baseado em Mn.

Se esses materiais funcionarem conforme o esperado fora do laboratório, o impacto económico poderá ser significativo. A equipe de pesquisa usou um sistema de eletrólise PEM de 10 MW como exemplo para estimar a estrutura de custos: Os materiais estruturais respondem por uma grande proporção do custo total, aproximadamente HK$ 17,8 milhões, dos quais até 53% estão diretamente relacionados a esses componentes. Nesta base, a equipe prevê que se o SS-H2 for usado para substituir os materiais existentes à base de titânio, o custo dos materiais estruturais deverá ser reduzido em cerca de 40 vezes, reduzindo assim significativamente o custo geral do sistema.

Este trabalho também reflete mudanças no pensamento de design de materiais resistentes à corrosão. Huang Mingxin destacou que a pesquisa tradicional sobre corrosão se concentra mais no desempenho de materiais em "potencial natural", enquanto sua estratégia é desenvolver especificamente ligas que sejam estáveis ​​em altos potenciais. Ao redesenhar o sistema de liga para formar um novo mecanismo de proteção ao operar em alto potencial, a equipe acredita que ele rompeu o “limite superior de potencial” do aço inoxidável tradicional e forneceu um novo paradigma para o desenvolvimento de ligas para ambientes de alto potencial.

Atualmente, esta pesquisa saiu do estágio experimental inicial. Patentes relevantes foram solicitadas em vários países, duas das quais foram concedidas quando o estudo foi anunciado. A equipe de pesquisa também começou a trabalhar com uma fábrica na China continental para produzir fio SS-H2, embora sejam necessários mais desenvolvimentos de engenharia e otimização de processos para transformá-lo em estruturas de malha ou espuma adequadas para eletrolisadores. Problemas como corrosão, reações secundárias relacionadas ao cloro, degradação do catalisador e vida útil limitada do sistema permanecem predominantes em todo o campo da eletrólise da água do mar, e muitas pesquisas têm se concentrado na adição de revestimentos ou tratamentos de superfície às superfícies tradicionais de aço inoxidável para melhorar a durabilidade.

Diferente desses caminhos, o SS-H2 começa no próprio material e permite que o material forme "espontaneamente" uma camada protetora durante o processo de trabalho, alterando a composição da liga e o comportamento eletroquímico, em vez de adicionar revestimentos adicionais posteriormente. Este mecanismo de proteção endógeno pode ser capaz de buscar alta durabilidade, levando em consideração o controle de custos, dando aos futuros dispositivos de produção de hidrogênio por eletrólise de água do mar uma chance maior de ocupar um lugar na implantação comercial em larga escala. No entanto, os pesquisadores também enfatizaram que o material ainda está nos estágios iniciais de industrialização e sua vida útil a longo prazo e desempenho em condições reais de operação ainda não foram verificados. No entanto, esta direcção mostra que a resolução dos problemas de custo e durabilidade do hidrogénio verde também pode depender da reimaginação de “materiais básicos” em vez de apenas melhorias ao nível da concepção do sistema.