“لا يمكن تفسيره” – العلماء يكشفون النقاب عن الفولاذ الثوري SS-H2

حقق فريق برئاسة البروفيسور مينجكسين هوانج من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هونج كونج تقدمًا كبيرًا في مجال الفولاذ المقاوم للصدأ. ويركز هذا الابتكار الأخير على تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ المصمم لتطبيقات الهيدروجين، والمعروف باسم SS-H₂.

يعد هذا الإنجاز جزءًا من مشروع “Super Steel” المستمر للبروفيسور هوانغ، والذي حقق سابقًا معالم بارزة من خلال إنشاء مضاد للإشعاع.كوفيد-19 الفولاذ المقاوم للصدأ في عام 2021 وتطوير الفولاذ الفائق القوة والصلابة في عامي 2017 و2020.

يُظهر الفولاذ الجديد الذي طوره الفريق مقاومة عالية للتآكل، مما يتيح إمكانية تطبيقه لإنتاج الهيدروجين الأخضر من مياه البحر، حيث لا يزال هناك حل مستدام جديد في طور الإعداد.

أداء الفولاذ الجديد في المحلل الكهربائي للمياه المالحة يمكن مقارنته بالممارسة الصناعية الحالية باستخدام التيتانيوم كأجزاء هيكلية لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر المحلاة أو حامض، في حين أن تكلفة الفولاذ الجديد أرخص بكثير.

وقد تم نشر هذا الاكتشاف في المجلة المواد اليوم. تتقدم الإنجازات البحثية حاليًا بطلب للحصول على براءات اختراع في العديد من البلدان، وقد تم بالفعل منح ترخيص لاثنتين منها.

ثورة في مقاومة التآكل

منذ اكتشافه قبل قرن من الزمان، كان الفولاذ المقاوم للصدأ دائمًا مادة مهمة تستخدم على نطاق واسع في البيئات المسببة للتآكل. يعد الكروم عنصرًا أساسيًا في تحديد مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ. يتم إنشاء الفيلم السلبي من خلال أكسدة الكروم (Cr) ويحمي الفولاذ المقاوم للصدأ في البيئات الطبيعية. ولسوء الحظ، فإن آلية التخميل الفردي التقليدية القائمة على الكروم قد أوقفت المزيد من التقدم في الفولاذ المقاوم للصدأ. بسبب المزيد من أكسدة الكروم المستقر₂يا₃ إلى الكروم القابل للذوبان (VI) صِنف، يحدث التآكل السلبي حتمًا في الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي عند ~ 1000 مللي فولت (قطب الكالوميل المشبع، SCE)، وهو أقل من الإمكانات المطلوبة لأكسدة الماء عند ~ 1600 مللي فولت.

البروفيسور مينغكسين هوانغ والدكتور كايبينغ يو. الائتمان: جامعة هونغ كونغ

على سبيل المثال، يعد الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق 254SMO معيارًا بين السبائك المضادة للتآكل القائمة على الكروم ويتمتع بمقاومة فائقة للتنقر في مياه البحر؛ ومع ذلك، فإن التآكل العابر يحد من تطبيقه عند الإمكانات الأعلى.

باستخدام استراتيجية “التخميل المزدوج المتسلسل”، قام فريق بحث البروفيسور هوانغ بتطوير رواية SS-H₂ مع مقاومة فائقة للتآكل. بالإضافة إلى Cr واحد₂يا₃الطبقة المنفعلة المستندة إلى المنغنيز، تتشكل طبقة ثانوية تعتمد على المنغنيز على الطبقة السابقة المستندة إلى الكروم عند 720 مللي فولت تقريبًا. تمنع آلية التخميل المزدوج المتسلسل SS-H₂ من التآكل في وسط الكلوريد إلى إمكانات عالية جدًا تبلغ 1700 مللي فولت. إس إس-إتش₂ يُظهر اختراقًا أساسيًا على الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي.

اكتشاف غير متوقع والتطبيقات المحتملة

“في البداية، لم نصدق ذلك لأن الرأي السائد هو أن المنغنيز يضعف مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ. يعد التخميل المعتمد على المنغنيز اكتشافًا غير بديهي، ولا يمكن تفسيره بالمعرفة الحالية في علم التآكل. ومع ذلك، عندما تم تقديم العديد من النتائج على المستوى الذري، اقتنعنا. وقال الدكتور كايبينغ يو، المؤلف الأول للمقال، والذي يشرف البروفيسور هوانغ على درجة الدكتوراه: “إلى جانب المفاجأة، لا يمكننا الانتظار لاستغلال هذه الآلية”.

منذ الاكتشاف الأولي للفولاذ المقاوم للصدأ المبتكر وحتى تحقيق اختراق في الفهم العلمي، والتحضير في نهاية المطاف للنشر الرسمي وتطبيقه الصناعي، كرس الفريق ما يقرب من ست سنوات للعمل.

“بخلاف مجتمع التآكل الحالي، والذي يركز بشكل أساسي على المقاومة عند الإمكانات الطبيعية، فإننا متخصصون في تطوير سبائك ذات مقاومة عالية. تغلبت استراتيجيتنا على القيود الأساسية للفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي وأنشأت نموذجًا لـ سبيكة التنمية المطبقة في إمكانات عالية. وهذا الاختراق مثير ويجلب تطبيقات جديدة.” وقال البروفيسور هوانغ.

في الوقت الحاضر، بالنسبة للمحللات الكهربائية للمياه في مياه البحر المحلاة أو المحاليل الحمضية، يلزم وجود Ti باهظ الثمن مطلي بـ Au أو Pt للمكونات الهيكلية. على سبيل المثال، تبلغ التكلفة الإجمالية لنظام خزان التحليل الكهربائي PEM بقدرة 10 ميجاوات في مرحلته الحالية حوالي 17.8 مليون دولار هونج كونج، وتساهم المكونات الهيكلية بما يصل إلى 53% من التكلفة الإجمالية. إن الإنجاز الذي حققه فريق البروفيسور هوانغ يجعل من الممكن استبدال هذه المكونات الهيكلية باهظة الثمن بفولاذ أكثر اقتصادا. وفقًا للتقديرات، فإن توظيف SS-H₂ ومن المتوقع أن يخفض تكلفة المواد الإنشائية بنحو 40 مرة، مما يدل على تقدم كبير في التطبيقات الصناعية.

“من المواد التجريبية إلى المنتجات الحقيقية، مثل الشبكات والرغاوي، الخاصة بالمحللات الكهربائية للمياه، لا تزال هناك مهام صعبة في متناول اليد. حاليا، لقد خطونا خطوة كبيرة نحو التصنيع. تم إنتاج أطنان من الأسلاك المعتمدة على SS-H2 بالتعاون مع مصنع من البر الرئيسي. نحن نمضي قدمًا في تطبيق SS-H الأكثر اقتصادا₂ وأضاف البروفيسور هوانغ: “في إنتاج الهيدروجين من مصادر متجددة”.

المرجع: “استراتيجية التخميل المزدوج التسلسلي لتصميم الفولاذ المقاوم للصدأ المستخدم فوق أكسدة الماء” بقلم كايبينغ يو، وشيهوي فنغ، وتشاو دينغ، ومنغ غو، وبنغ يو، ومينغكسين هوانغ، 19 أغسطس 2023، المواد اليوم.
دوى: 10.1016/j.mattod.2023.07.022