En el proceso de ampliación de la capacidad de producción de hidrógeno verde, el verdadero cuello de botella a menudo no está en el suministro de energía, sino en los materiales clave. Especialmente en el caso de los equipos de producción de hidrógeno para electrólisis de agua de mar, el entorno de trabajo es a la vez de alto voltaje y altamente corrosivo, lo que dificulta que la mayoría de los metales funcionen de manera estable durante mucho tiempo. Se ven obligados a depender de costosas aleaciones de titanio y recubrimientos de metales preciosos, lo que eleva los costos del sistema y limita la implementación a gran escala.Un equipo de investigación de la Universidad de Hong Kong está intentando solucionar esta situación. El equipo dirigido por el profesor Huang Mingxin ha desarrollado una nueva aleación de acero inoxidable SS-H2 que puede funcionar de forma estable durante mucho tiempo en un entorno electrolítico hostil y afirma que se espera que reemplace los costosos componentes existentes.
Esta investigación, publicada en la revista Materials Today, es uno de los últimos avances en el proyecto de investigación a largo plazo "Super Steel" del equipo de Huang Mingxin, que anteriormente lanzó aleaciones de ultra alta resistencia y materiales de acero inoxidable con propiedades antibacterianas. El objetivo del diseño de SS-H2 es permanecer estable en el rango de potencial donde falla el acero inoxidable tradicional, y es especialmente adecuado para dispositivos de electrólisis que utilizan directamente agua de mar. Los investigadores señalaron que el problema central actual es que la resistencia a la corrosión del acero inoxidable depende principalmente de la densa película de óxido formada por el cromo. Este mecanismo funciona bien en entornos industriales y marinos en general, pero se romperá por completo en condiciones de electrólisis de alto potencial.
Los experimentos muestran que cuando el potencial aumenta a aproximadamente 1000 mV (en relación con un electrodo de calomelanos saturado), la película de óxido de cromo en la superficie del acero inoxidable tradicional comenzará a descomponerse, generando especies solubles y causando una corrosión severa, mientras que las reacciones eficientes de oxidación en agua generalmente requieren un potencial de aproximadamente 1600 mV. Incluso la aleación de alta gama 254SMO, diseñada para entornos hostiles de agua de mar, no puede permanecer estable a potenciales tan altos. Por lo tanto, muchos sistemas de electrólisis actuales sólo pueden utilizar piezas estructurales a base de titanio complementadas con recubrimientos de metales preciosos como platino y oro. Aunque son fiables, aumentan considerablemente el coste de los equipos, especialmente después de su ampliación a escala industrial.
La idea de SS-H2 es cambiar la forma en que el metal se protege. En el acero inoxidable convencional, la protección la proporciona principalmente una única película de óxido de cromo; en SS-H2, el material forma secuencialmente dos capas protectoras durante la operación: primero, una película convencional a base de óxido de cromo y luego, a un potencial más alto (aproximadamente 720 mV), se forma encima de ella una capa protectora a base de manganeso. Es esta segunda capa de protección la que permite que el material permanezca estable hasta aproximadamente 1700 mV, cubriendo así el rango de voltaje requerido para la división del agua.
Vale la pena señalar que la introducción del manganeso en sí es bastante inesperada. En el pensamiento tradicional, a menudo se piensa que el manganeso debilita la resistencia a la corrosión del acero inoxidable, en lugar de mejorarla. El Dr. Yu Kaiping, primer autor del artículo, recordó que inicialmente al equipo le resultó difícil creer que el Mn pudiera ayudar a formar una capa de pasivación estable porque era contrario al conocimiento existente de la ciencia de la corrosión. Sin embargo, después de que se presentaran una gran cantidad de resultados experimentales a escala atómica, finalmente confirmaron este fenómeno de pasivación "contraintuitivo" basado en Mn.
Si dichos materiales funcionan como se espera fuera del laboratorio, el impacto económico podría ser significativo. El equipo de investigación utilizó un sistema de electrólisis PEM de 10 MW como ejemplo para estimar la estructura de costos: los materiales estructurales representan una gran proporción del costo total, aproximadamente 17,8 millones de dólares de Hong Kong, de los cuales hasta el 53% está directamente relacionado con estos componentes. Sobre esta base, el equipo predice que si se utiliza SS-H2 para reemplazar los materiales existentes a base de titanio, se espera que el costo de los materiales estructurales se reduzca aproximadamente 40 veces, reduciendo así significativamente el costo general del sistema.
Este trabajo también refleja cambios en el pensamiento de diseño de materiales resistentes a la corrosión. Huang Mingxin señaló que la investigación tradicional sobre corrosión se centra más en el rendimiento de los materiales en "potencial natural", mientras que su estrategia es desarrollar específicamente aleaciones que sean estables en altos potenciales. Al rediseñar el sistema de aleación para formar un nuevo mecanismo de protección cuando funciona a alto potencial, el equipo cree que ha superado el "límite superior potencial" del acero inoxidable tradicional y ha proporcionado un nuevo paradigma para el desarrollo de aleaciones para entornos de alto potencial.
En la actualidad, esta investigación ha salido de la etapa experimental inicial. Se han solicitado patentes relevantes en varios países, dos de las cuales se otorgaron cuando se anunció el estudio. El equipo de investigación también ha comenzado a trabajar con una fábrica en China continental para producir alambre SS-H2, aunque se requiere un mayor desarrollo de ingeniería y optimización de procesos para convertirlo en estructuras de malla o espuma adecuadas para electrolizadores. Problemas como la corrosión, las reacciones secundarias relacionadas con el cloro, la degradación del catalizador y la vida útil limitada del sistema siguen siendo frecuentes en todo el campo de la electrólisis del agua de mar, y gran parte de la investigación se ha centrado en agregar recubrimientos o tratamientos superficiales a las superficies tradicionales de acero inoxidable para mejorar la durabilidad.
A diferencia de estos caminos, SS-H2 parte del propio material y permite que el material forme "espontáneamente" una capa protectora durante el proceso de trabajo cambiando la composición de la aleación y el comportamiento electroquímico, en lugar de agregar recubrimientos adicionales después. Este mecanismo de protección endógeno puede lograr una alta durabilidad teniendo en cuenta el control de costos, lo que brindará a los futuros dispositivos de producción de hidrógeno por electrólisis de agua de mar una mayor oportunidad de ocupar un lugar en el despliegue comercial a gran escala. Sin embargo, los investigadores también enfatizaron que el material aún se encuentra en las primeras etapas de industrialización y que su vida útil a largo plazo y su rendimiento en condiciones reales de operación aún deben ser verificados. Sin embargo, esta dirección muestra que la solución de los problemas de costo y durabilidad del hidrógeno verde también puede depender de la reinvención de los "materiales básicos" en lugar de solo mejoras a nivel de diseño del sistema.