Hong Kong Üniversitesi'nden (HKU) bir araştırma ekibi, standart paslanmaz çeliğin karşılaştığı büyük bir engeli aşabilecek ve yeşil hidrojen üretim maliyetlerini düşürebilecek yepyeni bir paslanmaz çelik türü geliştirdi.
HKU Makine Mühendisliği Bölümü'nden Profesör Mingxin Huang liderliğindeki araştırmacılar, sıradan paslanmaz çeliğin dayanamayacağı koşullarda şiddetli korozyona direnç gösterecek şekilde tasarlanmış "hidrojen için paslanmaz çelik" (SS-H2) adlı yeni bir malzeme üretti.
Bu gelişme, Huang'ın "Süper Çelik" Projesi'nden çıkan en son sonuç olarak dikkat çekiyor. Ekibi, daha önce 2021 yılında COVID karşıtı özelliklere sahip paslanmaz çeliğin yanı sıra, 2017 ve 2020 yıllarında olağanüstü güçlü ve dayanıklı Süper Çelik formları geliştirmişti.
Yeşil Hidrojen İçin Yepyeni Bir Çelik
SS-H2, özellikle korozyona gösterdiği direnç nedeniyle son derece umut verici. Bu özellik, onu deniz suyu kullanarak yeşil hidrojen üreten sistemlerde kullanışlı hale getirebilir; ki bu alan, araştırmacıların hala pratik ve sürdürülebilir teknolojiler aradığı bir alan.
Hidrojen, elektriği kullanarak suyu hidrojen ve oksijene ayıran bir işlem olan elektroliz yoluyla üretilebiliyor. Bu elektrik yenilenebilir enerji kaynaklarından geldiğinde, ortaya çıkan yakıt genellikle yeşil hidrojen olarak adlandırılıyor. Ancak elektroliz için kullanılan ekipmanların, özellikle tuzun işin içine girdiği durumlarda, zorlu kimyasal ve elektriksel koşullara dayanması gerekiyor.
Tuzlu su elektrolizöründe yeni çelik, şu anda arıtılmış deniz suyu veya asidik çözeltilerden hidrojen üretmek için kullanılan titanyum yapısal bileşenlerle karşılaştırılabilir bir performans sergiledi. Buradaki temel fark ise maliyet. SS-H2, çok daha uygun fiyatlı.
Araştırmacılar, bulgularını "Su oksidasyonunun üzerinde kullanılan paslanmaz çeliği tasarlamak için ardışık çift pasivasyon stratejisi" başlıklı bir çalışma ile Materials Today dergisinde yayımladı. Ekip, teknolojiyi kapsayan patent başvurularını birkaç ülkede yaptı ve iki patent şimdiden onaylandı.
Geleneksel Paslanmaz Çeliğin Neden Bir Sınırı Var?
Paslanmaz çelik yaklaşık bir asırdır kullanılıyor ve korozyonun endişe yarattığı uygulamalar için en önemli malzemelerden biri haline geldi. Dayanıklılığının büyük bir kısmı kromdan geliyor.
Çeliğin içindeki krom (Cr) çevresiyle tepkimeye girdiğinde, yüzeyde ince bir koruyucu film oluşturuyor. Bu pasif tabaka, alttaki metalin korozyona uğramaya devam etmesini engelliyor.
Ancak geleneksel paslanmaz çelikler için bu korumanın önemli bir sınırı var.
Koruyucu krom oksit (Cr2O3), daha fazla oksidasyona uğrayarak çözünür Cr(VI) türleri oluşturabiliyor. Bu gerçekleştiğinde, yüzey "transpasif korozyon" olarak bilinen bir bozulma formuna giriyor.
Geleneksel paslanmaz çelikte bu süreç yaklaşık 1000 mV'de (doyurulmuş kalomel elektrot, SCE) gerçekleşebiliyor. Elektroliz sırasında temel bir reaksiyon olan su oksidasyonu ise yaklaşık 1600 mV gibi çok daha yüksek bir potansiyel gerektiriyor. Bu uyumsuzluk, geleneksel paslanmaz çeliğin bazı yüksek voltajlı elektrokimyasal uygulamalarda etkili bir şekilde kullanılmasını engelliyordu.
Deniz suyundaki çukurlaşmaya karşı mükemmel direnciyle krom bazlı korozyona dayanıklı bir alaşım standardı olarak kabul edilen 254SMO süper paslanmaz çelik bile bu sorunla karşı karşıya kalıyor. Elektriksel potansiyel yeterince yüksek olduğunda korozyona karşı direnci azalıyor.
Şaşırtıcı İkinci Koruyucu Tabaka
Huang'ın grubu, araştırmacıların "ardışık çift pasivasyon" olarak adlandırdığı bir yöntemle bu uzun süredir devam eden engelin üstesinden gelmenin bir yolunu buldu.
Yalnızca geleneksel koruyucu krom oksit tabakasına güvenmek yerine, SS-H2 onun üzerine ikinci bir koruyucu tabaka daha geliştiriyor. Manganez bazlı olan bu ikinci tabaka, yaklaşık 720 mV'de oluşmaya başlıyor.
Birlikte bu iki tabaka, çeliğin klorür içeren ortamlarda 1700 mV'ye ulaşan potansiyellerde korozyona direnç göstermesini sağlıyor. Deniz suyunda bol miktarda bulunan ve birçok metale karşı özellikle saldırgan olan, yerel korozyona neden olabilen klorürler için bu büyük bir avantaj.
1700 mV'ye ulaşmak önemli çünkü bu, malzemeyi su oksidasyonu için gereken potansiyelin ötesine taşıyor. Araştırmacılar bu nedenle SS-H2'yi geleneksel paslanmaz çeliğe göre temel bir ilerleme olarak görüyor.
Sonucu özellikle çarpıcı kılan şey, manganezin oynadığı rol. Geleneksel olarak manganez, paslanmaz çeliğin korozyon direncine zararlı olarak kabul edilirdi.
Çalışmanın ilk yazarı ve Profesör Huang'ın doktora öğrencisi Dr. Kaiping Yu konuyla ilgili şunları söyledi: "Başlangıçta buna inanmadık çünkü yaygın görüş Mn'nin paslanmaz çeliğin korozyon direncini zayıflattığı yönünde. Mn bazlı pasivasyon, korozyon biliminin mevcut bilgileriyle açıklanamayan, sezgilere aykırı bir keşif. Ancak sayısız atomik düzeyde sonuç sunulduğunda ikna olduk. Şaşkınlığın ötesinde, bu mekanizmayı kullanmak için sabırsızlanıyoruz."
Neredeyse Altı Yıllık Araştırma
Proje, olağandışı çeliğin keşfiyle başlayıp atomik düzeyde neden bu şekilde davrandığını anlama çabalarıyla devam eden ve sonunda yayınlama ile olası endüstriyel kullanıma doğru ilerleyen neredeyse altı yıllık bir süreci kapsadı.
Huang'ın grubu, alaşımların sıradan koşullar altında korozyona nasıl direndiğine odaklanmak yerine, çok daha yüksek elektriksel potansiyellerde kararlı kalan malzemeler geliştirmeye odaklandı.
Profesör Huang, "Doğal potansiyellerdeki dirence odaklanan mevcut korozyon topluluğundan farklı olarak, biz yüksek potansiyele dayanıklı alaşımlar geliştirmede uzmanlaştık. Stratejimiz, geleneksel paslanmaz çeliğin temel sınırlamasını aştı ve yüksek potansiyellerde uygulanabilir alaşım geliştirme için bir paradigma oluşturdu. Bu atılım heyecan verici ve yeni uygulamalar getiriyor" dedi.
Malzeme Maliyetlerinde 40 Kata Kadar Düşüş Potansiyeli
Ekonomik sonuçlar oldukça büyük olabilir.
Arıtılmış deniz suyu veya asidik çözeltilerle çalışan elektrolizörler, şu anda altın veya platin kaplamalı pahalı titanyum bileşenler gerektiriyor. Bu malzemeler, bir elektroliz sisteminin maliyetinin büyük bir kısmını oluşturabiliyor.
Araştırmacılara göre, 10 megavatlık bir PEM elektroliz tank sistemi şu anda yaklaşık 17,8 milyon Hong Kong Doları'na mal oluyor. PEM, suyu hidrojen ve oksijene ayırmak için elektrikle çalışan bir membran sistemi kullanan proton değişimli membran elektrolizini ifade ediyor.
Yapısal bileşenler, toplam sistem maliyetinin yüzde 53'ünü bulabiliyor.
Araştırmacılar, SS-H2'nin bu pahalı bileşenlerin yerini çok daha ekonomik bir çelikle değiştirebileceğine inanıyor. Tahminleri, yeni malzemenin kullanımının yapısal malzeme maliyetlerini yaklaşık 40 kat azaltabileceğini gösteriyor; bu da ona endüstriyel hidrojen üretimi için çok büyük bir potansiyel sağlıyor.
Laboratuvardan Endüstriye Geçiş
Malzemenin yaygın olarak kullanıma sunulmasından önce önemli mühendislik zorlukları var. Elektrolizörler, metal ağlar ve köpükler gibi pratik formlarda bileşenler gerektiriyor, bu nedenle yalnızca laboratuvar performansı yeterli değil.
Yine de araştırmacılar, SS-H2'yi büyük ölçekli üretime geçirmek için çalışmalara başladı.
Profesör Huang, "Su elektrolizörleri için deneysel malzemelerden ağlar ve köpükler gibi gerçek ürünlere geçişte hala zorlu görevler var. Şu anda endüstrileşme yolunda büyük bir adım attık. Çin Anakarası'ndaki bir fabrikayla işbirliği içinde tonlarca SS-H2 bazlı tel üretildi. Yenilenebilir kaynaklardan hidrojen üretiminde daha ekonomik olan SS-H2'yi uygulamak için ilerliyoruz" diye ekledi.
Yüksek korozyon direnci ve çok daha düşük malzeme maliyetlerinin birleşimi, ticari elektrolizörlerde güvenilir bir şekilde performans gösterirse SS-H2'yi özellikle değerli kılabilir. Teknoloji, deneysel çelikten endüstriyel bileşenlere geçişi başarıyla sağlarsa, yenilenebilir enerji ve deniz suyundan yeşil hidrojen üretmek için çok daha ucuz bir yol sunabilir.
