وفي عملية توسيع القدرة على إنتاج الهيدروجين الأخضر، لا يكمن عنق الزجاجة الحقيقي في كثير من الأحيان في إمدادات الطاقة، بل في المواد الأساسية. خاصة بالنسبة لمعدات إنتاج الهيدروجين للتحليل الكهربائي لمياه البحر، فإن بيئة العمل تتميز بالجهد العالي والتآكل الشديد، مما يجعل من الصعب على معظم المعادن أن تعمل بثبات لفترة طويلة. إنهم مجبرون على الاعتماد على سبائك التيتانيوم باهظة الثمن وطلاءات المعادن الثمينة، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف النظام ويحد من النشر على نطاق واسع.ويحاول فريق بحثي في جامعة هونغ كونغ كسر هذا الوضع. قام الفريق بقيادة البروفيسور هوانغ مينغكسين بتطوير سبيكة جديدة من الفولاذ المقاوم للصدأ SS-H2 يمكنها العمل بثبات لفترة طويلة في بيئة التحليل الكهربائي القاسية، ويدعي أنه من المتوقع أن تحل محل المكونات باهظة الثمن الموجودة.
يعد هذا البحث، الذي نُشر في مجلة Materials Today، أحد أحدث التطورات في المشروع البحثي طويل الأمد لفريق Huang Mingxin "Super Steel"، والذي سبق أن أطلق سبائك فائقة القوة ومواد من الفولاذ المقاوم للصدأ ذات خصائص مضادة للبكتيريا. الهدف من تصميم SS-H2 هو البقاء مستقرًا في النطاق المحتمل حيث يفشل الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي، وهو مناسب بشكل خاص لأجهزة التحليل الكهربائي التي تستخدم مياه البحر مباشرة. وأشار الباحثون إلى أن المشكلة الأساسية الحالية هي أن مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ تعتمد بشكل أساسي على طبقة الأكسيد الكثيفة التي يتكون منها الكروم. تعمل هذه الآلية بشكل جيد في البيئات الصناعية والبحرية العامة، ولكنها سوف تنكسر تمامًا في ظل ظروف التحليل الكهربائي عالية الإمكانات.
تظهر التجارب أنه عندما يرتفع الجهد إلى حوالي 1000 مللي فولت (بالنسبة إلى قطب الكالوميل المشبع)، فإن طبقة أكسيد الكروم الموجودة على سطح الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي ستبدأ في التحلل، وتولد أنواعًا قابلة للذوبان وتسبب تآكلًا شديدًا، بينما تتطلب تفاعلات أكسدة الماء الفعالة عادةً جهدًا يبلغ حوالي 1600 مللي فولت. حتى سبيكة 254SMO المتطورة، والتي تم تصميمها لبيئات مياه البحر القاسية، لا يمكن أن تظل مستقرة عند مثل هذه الإمكانات العالية. ولذلك، فإن العديد من أنظمة التحليل الكهربائي الحالية لا يمكنها سوى استخدام الأجزاء الهيكلية القائمة على التيتانيوم والمكملة بطبقات معدنية ثمينة مثل البلاتين والذهب. وعلى الرغم من موثوقيتها، إلا أنها تزيد من تكلفة المعدات بشكل كبير، خاصة بعد التوسع في النطاق الصناعي.
فكرة SS-H2 هي تغيير الطريقة التي يحمي بها المعدن نفسه. في الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي، يتم توفير الحماية بشكل أساسي من خلال طبقة واحدة من أكسيد الكروم؛ في SS-H2، تشكل المادة طبقتين واقيتين بالتتابع أثناء التشغيل: أولاً طبقة أكسيد تقليدية قائمة على الكروم، ثم عند إمكانات أعلى (حوالي 720 مللي فولت)، يتم تشكيل طبقة واقية قائمة على المنغنيز فوقها. هذه الطبقة الثانية من الحماية هي التي تسمح للمادة بالبقاء مستقرة حتى حوالي 1700 مللي فولت، وبالتالي تغطي نطاق الجهد المطلوب لتقسيم الماء.
ومن الجدير بالذكر أن إدخال المنغنيز في حد ذاته أمر غير متوقع تمامًا. في التفكير التقليدي، غالبًا ما يُعتقد أن المنغنيز يضعف مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ، بدلاً من تحسينها. ذكر الدكتور يو كايبينغ، المؤلف الأول للورقة البحثية، أن الفريق وجد في البداية صعوبة في تصديق أن المنغنيز يمكن أن يساعد في تشكيل طبقة تخميل مستقرة لأنه يتعارض مع المعرفة العلمية الحالية للتآكل. ومع ذلك، بعد تقديم عدد كبير من النتائج التجريبية على المستوى الذري، أكدوا أخيرًا ظاهرة التخميل القائمة على المنغنيز "غير البديهية".
إذا كان أداء هذه المواد كما هو متوقع خارج المختبر، فقد يكون التأثير الاقتصادي كبيرًا. استخدم فريق البحث نظام التحليل الكهربائي PEM بقدرة 10 ميجاوات كمثال لتقدير هيكل التكلفة: تمثل المواد الإنشائية نسبة كبيرة من التكلفة الإجمالية، حوالي 17.8 مليون دولار هونج كونج، منها ما يصل إلى 53% يرتبط مباشرة بهذه المكونات. وعلى هذا الأساس، يتوقع الفريق أنه إذا تم استخدام SS-H2 لاستبدال المواد القائمة على التيتانيوم، فمن المتوقع أن تنخفض تكلفة المواد الهيكلية بنحو 40 مرة، وبالتالي تقليل تكلفة النظام الإجمالية بشكل كبير.
يعكس هذا العمل أيضًا التغييرات في التفكير التصميمي للمواد المقاومة للتآكل. وأشار هوانغ مينغشين إلى أن أبحاث التآكل التقليدية تركز بشكل أكبر على أداء المواد عند "الإمكانات الطبيعية"، بينما تتمثل استراتيجيتهم على وجه التحديد في تطوير سبائك مستقرة عند الإمكانات العالية. من خلال إعادة تصميم نظام السبائك لتشكيل آلية حماية جديدة عند العمل بإمكانات عالية، يعتقد الفريق أنه قد اخترق "الحد الأعلى المحتمل" للفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي وقدم نموذجًا جديدًا لتطوير السبائك للبيئات ذات الإمكانات العالية.
وفي الوقت الحاضر، انتقل هذا البحث من المرحلة التجريبية المبكرة. وقد تم تقديم طلبات للحصول على براءات الاختراع ذات الصلة في العديد من البلدان، وتم منح اثنتين منها عند الإعلان عن الدراسة. بدأ فريق البحث أيضًا العمل مع مصنع في البر الرئيسي للصين لإنتاج سلك SS-H2، على الرغم من الحاجة إلى مزيد من التطوير الهندسي وتحسين العملية لتحويله إلى هياكل شبكية أو رغوية مناسبة للمحللات الكهربائية. لا تزال مشاكل مثل التآكل، والتفاعلات الجانبية المرتبطة بالكلور، وتدهور المحفز، وعمر النظام المحدود سائدة في جميع أنحاء مجال التحليل الكهربائي لمياه البحر، وقد ركزت الكثير من الأبحاث على إضافة الطلاءات أو المعالجات السطحية إلى الأسطح التقليدية المصنوعة من الفولاذ المقاوم للصدأ لتحسين المتانة.
وبخلاف هذه المسارات، يبدأ SS-H2 من المادة نفسها ويسمح للمادة بتشكيل طبقة واقية "بشكل تلقائي" أثناء عملية العمل عن طريق تغيير تركيبة السبائك والسلوك الكهروكيميائي، بدلاً من إضافة طبقات إضافية بعد ذلك. قد تكون آلية الحماية الداخلية هذه قادرة على تحقيق متانة عالية مع الأخذ في الاعتبار التحكم في التكلفة، مما يمنح أجهزة إنتاج الهيدروجين بالتحليل الكهربائي لمياه البحر في المستقبل فرصة أكبر لاحتلال مكان في النشر التجاري على نطاق واسع. ومع ذلك، أكد الباحثون أيضًا أن المادة لا تزال في المراحل الأولى من التصنيع، ولم يتم التحقق بعد من عمرها الطويل وأدائها في ظل ظروف التشغيل الحقيقية. ومع ذلك، يوضح هذا الاتجاه أن حل مشكلات التكلفة والمتانة للهيدروجين الأخضر قد يعتمد أيضًا على إعادة تصور "المواد الأساسية" بدلاً من مجرد التحسينات على مستوى تصميم النظام.