Beim Ausbau der Produktionskapazitäten für grünen Wasserstoff liegt der eigentliche Engpass oft nicht in der Energieversorgung, sondern bei Schlüsselmaterialien. Insbesondere bei Wasserstoffproduktionsanlagen für die Meerwasserelektrolyse ist die Arbeitsumgebung sowohl Hochspannung als auch stark korrosiv, was es für die meisten Metalle schwierig macht, über einen langen Zeitraum stabil zu arbeiten. Sie sind gezwungen, sich auf teure Titanlegierungen und Edelmetallbeschichtungen zu verlassen, was die Systemkosten in die Höhe treibt und den großtechnischen Einsatz einschränkt.Ein Forschungsteam der Universität Hongkong versucht, diese Situation zu durchbrechen. Das von Professor Huang Mingxin geleitete Team hat eine neue Edelstahllegierung SS-H2 entwickelt, die in einer rauen elektrolytischen Umgebung lange Zeit stabil arbeiten kann und angeblich bestehende teure Komponenten ersetzen soll.
Diese in der Fachzeitschrift „Materials Today“ veröffentlichte Forschung ist eine der neuesten Entwicklungen im langfristigen Forschungsprojekt „Super Steel“ von Huang Mingxins Team, das zuvor ultrahochfeste Legierungen und Edelstahlmaterialien mit antibakteriellen Eigenschaften auf den Markt gebracht hat. Das Designziel von SS-H2 besteht darin, in dem potenziellen Bereich stabil zu bleiben, in dem herkömmlicher Edelstahl versagt, und eignet sich besonders für Elektrolysegeräte, die direkt Meerwasser verwenden. Die Forscher wiesen darauf hin, dass das aktuelle Kernproblem darin besteht, dass die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl hauptsächlich auf dem dichten Oxidfilm beruht, der durch Chrom gebildet wird. Dieser Mechanismus funktioniert in allgemeinen Industrie- und Meeresumgebungen gut, wird jedoch unter Hochpotential-Elektrolysebedingungen vollständig zerstört.
Experimente zeigen, dass, wenn das Potenzial auf etwa 1000 mV (relativ zu einer gesättigten Kalomelelektrode) ansteigt, der Chromoxidfilm auf der Oberfläche von herkömmlichem Edelstahl beginnt, sich zu zersetzen, wodurch lösliche Spezies entstehen und schwere Korrosion verursacht wird, während effiziente Wasseroxidationsreaktionen normalerweise ein Potenzial von etwa 1600 mV erfordern. Selbst die High-End-Legierung 254SMO, die für raue Meerwasserumgebungen ausgelegt ist, kann bei so hohen Potenzialen nicht stabil bleiben. Daher können viele aktuelle Elektrolysesysteme nur Strukturteile auf Titanbasis verwenden, ergänzt durch Edelmetallbeschichtungen wie Platin und Gold. Obwohl sie zuverlässig sind, erhöhen sie die Kosten für die Ausrüstung erheblich, insbesondere nach der Ausweitung auf den industriellen Maßstab.
Die Idee von SS-H2 besteht darin, die Art und Weise zu ändern, wie Metall sich selbst schützt. Bei herkömmlichem Edelstahl wird der Schutz hauptsächlich durch einen einzelnen Chromoxidfilm gewährleistet; Bei SS-H2 bildet das Material im Betrieb nacheinander zwei Schutzschichten: zunächst einen herkömmlichen Oxidfilm auf Chrombasis und dann bei einem höheren Potential (ca. 720 mV) eine darüber liegende Schutzschicht auf Manganbasis. Diese zweite Schutzschicht sorgt dafür, dass das Material bis etwa 1.700 mV stabil bleibt und somit den für die Wasserspaltung erforderlichen Spannungsbereich abdeckt.
Es ist erwähnenswert, dass die Einführung von Mangan selbst ziemlich unerwartet ist. In der traditionellen Denkweise wird oft angenommen, dass Mangan die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl schwächt, anstatt sie zu verbessern. Dr. Yu Kaiping, der Erstautor der Arbeit, erinnerte daran, dass es dem Team anfangs schwer fiel zu glauben, dass Mn zur Bildung einer stabilen Passivierungsschicht beitragen könnte, da dies im Widerspruch zu bestehenden Erkenntnissen der Korrosionswissenschaft stand. Nachdem jedoch eine große Anzahl experimenteller Ergebnisse im atomaren Maßstab vorgelegt worden war, bestätigten sie schließlich dieses „kontraintuitive“ Mn-basierte Passivierungsphänomen.
Wenn solche Materialien außerhalb des Labors wie erwartet funktionieren, könnten die wirtschaftlichen Auswirkungen erheblich sein. Um die Kostenstruktur abzuschätzen, nutzte das Forschungsteam ein 10-MW-PEM-Elektrolysesystem als Beispiel: Strukturmaterialien machen einen großen Teil der Gesamtkosten aus, etwa 17,8 Millionen HK$, wovon bis zu 53 % direkt auf diese Komponenten zurückzuführen sind. Auf dieser Grundlage prognostiziert das Team, dass bei Verwendung von SS-H2 als Ersatz für vorhandene Materialien auf Titanbasis die Kosten für Strukturmaterialien voraussichtlich um etwa das 40-fache sinken und damit die Gesamtsystemkosten deutlich sinken werden.
Diese Arbeit spiegelt auch Veränderungen im Designdenken von korrosionsbeständigen Materialien wider. Huang Mingxin wies darauf hin, dass sich die traditionelle Korrosionsforschung mehr auf die Leistung von Materialien bei „natürlichem Potenzial“ konzentriert, während ihre Strategie darin besteht, gezielt Legierungen zu entwickeln, die bei hohen Potenzialen stabil sind. Durch die Neugestaltung des Legierungssystems, um einen neuen Schutzmechanismus bei Betrieb mit hohem Potenzial zu bilden, ist das Team davon überzeugt, dass es die „Potenzialobergrenze“ von herkömmlichem Edelstahl durchbrochen und ein neues Paradigma für die Entwicklung von Legierungen für Umgebungen mit hohem Potenzial geschaffen hat.
Gegenwärtig hat diese Forschung das frühe experimentelle Stadium verlassen. In mehreren Ländern wurden entsprechende Patente angemeldet, zwei davon wurden bei Bekanntgabe der Studie erteilt. Das Forschungsteam hat außerdem begonnen, mit einer Fabrik auf dem chinesischen Festland zusammenzuarbeiten, um SS-H2-Draht herzustellen. Allerdings sind weitere technische Entwicklungen und Prozessoptimierungen erforderlich, um ihn in Netz- oder Schaumstrukturen zu verwandeln, die für Elektrolyseure geeignet sind. Probleme wie Korrosion, chlorbedingte Nebenreaktionen, Katalysatorabbau und begrenzte Systemlebensdauer bleiben im gesamten Bereich der Meerwasserelektrolyse weit verbreitet, und viele Forschungsarbeiten haben sich darauf konzentriert, herkömmliche Edelstahloberflächen mit Beschichtungen oder Oberflächenbehandlungen zu versehen, um die Haltbarkeit zu verbessern.
Im Gegensatz zu diesen Wegen geht SS-H2 vom Material selbst aus und ermöglicht es dem Material, während des Arbeitsprozesses „spontan“ eine Schutzschicht zu bilden, indem es die Legierungszusammensetzung und das elektrochemische Verhalten ändert, anstatt nachträglich zusätzliche Beschichtungen hinzuzufügen. Mit diesem endogenen Schutzmechanismus kann unter Berücksichtigung der Kostenkontrolle möglicherweise eine hohe Haltbarkeit angestrebt werden, was künftigen Geräten zur Wasserstofferzeugung durch Meerwasserelektrolyse eine größere Chance gibt, einen Platz im groß angelegten kommerziellen Einsatz einzunehmen. Allerdings betonten die Forscher auch, dass sich das Material noch in einem frühen Stadium der Industrialisierung befinde und seine langfristige Lebensdauer und Leistung unter realen Betriebsbedingungen noch verifiziert werden müsse. Diese Richtung zeigt jedoch, dass die Lösung der Kosten- und Haltbarkeitsprobleme von grünem Wasserstoff auch auf der Neugestaltung von „Grundmaterialien“ und nicht nur auf Verbesserungen auf der Ebene des Systemdesigns beruhen kann.