Klimaat & energie › Groene waterstof & e-fuels
Nieuw roestvrij staal moet titanium vervangen bij groene waterstofproductie
Onderzoekers van de Universiteit van Hong Kong hebben een nieuw type roestvrij staal ontwikkeld dat de extreme corrosieve omstandigheden bij waterstofproductie uit zeewater kan doorstaan. Het materiaal, SS-Hâ‚‚ genaamd, kan dure titaniumonderdelen in elektrolyse-installaties vervangen en zo de bouwkosten van waterstoffabrieken flink verlagen.
Groene waterstof maken uit zeewater is aantrekkelijk: zout water is overal beschikbaar en spaart schaars zoet water. Maar het proces is meedogenloos voor metalen onderdelen. Chloride-ionen uit het zout tasten materialen aan, terwijl de elektrode die zuurstof produceert ook nog eens wordt blootgesteld aan extreem hoge elektrische spanningen. Zelfs het meest corrosiebestendige roestvrij staal geeft het daar op. Producenten grijpen daarom vaak naar titanium, soms zelfs met een coating van goud of platina. Dat werkt goed, maar is kostbaar.
Een team onder leiding van professor Mingxin Huang van de Universiteit van Hong Kong ontwikkelde een alternatief: roestvrij staal met een aangepaste samenstelling, door de onderzoekers SS-Hâ‚‚ gedoopt. De legering bevat naast ijzer grote hoeveelheden chroom, kobalt en opvallend veel mangaan. Normaal gesproken wordt mangaan juist gezien als een stof die de corrosiebestendigheid van roestvrij staal verzwakt.
Een tweede beschermlaag als reddingsboei
Gewoon roestvrij staal beschermt zichzelf dankzij een dun laagje chroomoxide dat zich vormt op het oppervlak. Bij een spanning van ongeveer 1.000 millivolt begint die beschermlaag echter af te breken, in een proces dat transpassieve corrosie heet. Het probleem: bij elektrolyse van water treedt de reactie die zuurstof vormt, de zogeheten zuurstofevolutiereactie, al op bij circa 1.600 millivolt. Conventioneel staal verliest zijn bescherming dus ruim voordat het echte werk begint.
Bij SS-H₂ gebeurt iets onverwachts. Rond 720 millivolt vormt het mangaan in de legering een tweede beschermende laag bovenop de bestaande chroomlaag. Naarmate de spanning stijgt en de chroombescherming het dreigt te begeven, neemt de mangaanlaag het over. De onderzoekers noemen dit mechanisme sequentiële dual-passivering. In tests met een zoutoplossing die de concentratie van zeewater nabootst, hield het materiaal stand tot ongeveer 1.700 millivolt, ruim boven het punt waarop water wordt gesplitst.
Veertig keer goedkoper
Het team testte de legering ook in een echte elektrolyzer op zout water en zag prestaties die vergelijkbaar zijn met titanium. Volgens de onderzoekers maken structurele onderdelen tot 53 procent van de kosten van een elektrolyzer uit. Vervanging van titanium door SS-H₂ zou die kostenpost tot veertig keer kunnen verlagen, al betekent dat niet automatisch dat waterstof zelf veertig keer goedkoper wordt: stroom, katalysatoren en membranen blijven kostenposten. Het team heeft inmiddels tonnen draad van het materiaal laten produceren bij een industriële fabrikant, maar erkent dat er nog veel werk is te verzetten voordat poreuze onderdelen zoals meshes en foams op grote schaal in werkende elektrolysers kunnen worden toegepast.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als SS-Hâ‚‚ zich in de praktijk bewijst, kan het de bouwkosten van installaties voor groene waterstof fors verlagen, vooral wanneer die op zeewater draaien. Dat maakt grootschalige productie van waterstof met zonne- en windenergie financieel aantrekkelijker. Het achterliggende principe van 'dual-passivering' kan bovendien een blauwdruk zijn voor het ontwerpen van nieuwe corrosiebestendige materialen buiten de waterstofsector.
- Roestvrij staal
- Een ijzerlegering met chroom die zichzelf beschermt tegen roest via een dun oxidelaagje op het oppervlak.
- Elektrolyse
- Het splitsen van water in waterstof en zuurstof met behulp van elektrische stroom.
- Zuurstofevolutiereactie
- De chemische reactie aan de positieve elektrode van een elektrolyzer waarbij zuurstofgas ontstaat; deze reactie vereist een hoge elektrische spanning.
- Transpassieve corrosie
- Het proces waarbij de beschermende oxidelaag van een metaal bij hoge elektrische spanning zelf uiteenvalt, waardoor het metaal weer kwetsbaar wordt voor aantasting.
- Sequentiële dual-passivering
- Een mechanisme waarbij een materiaal zich in twee fasen beschermt: eerst via één beschermlaag, en bij hogere spanning via een tweede, andere beschermlaag.
- Vacuüminductiesmelten
- Een smelttechniek waarbij metaal in een vacuümomgeving met elektromagnetische inductie wordt gesmolten, waardoor verontreiniging wordt voorkomen.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
