25. November 2023 | Forschern der Universität Hongkong ist ein Durchbruch bei der Entwicklung eines rostfreien Stahls für Wasserstoffanwendungen gelungen.
Unter der Leitung von Professor Mingxin Huang an der Fakultät für Maschinenbau der Universität Hong Kong (HKU) wurde der neuartige Stahl “SS-H2” (stainless steel for hydrogen) mit hoher Korrosionsbeständigkeit entwickelt. Diese Eigenschaft prädestiniert ihn für den Einsatz bei der Gewinnung von Wasserstoff aus Meerwasser.
Die Entdeckung wurde in der Fachzeitschrift Materials Today unter dem Titel “A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation” veröffentlicht. Die Forschungsergebnisse wurden bereits in mehreren Ländern zum Patent angemeldet. Erste Zulassungen liegen vor.
Großes Potenzial für die industrielle Anwendung
Derzeit werden für Wasserelektrolyseure in entsalztem Meerwasser oder sauren Lösungen teure gold- oder platinbeschichtete Titan-Komponenten benötigt. Durch die Neuentwicklung SS-H2 können teure Strukturbauteile durch kostengünstigeren Stahl ersetzt werden. Schätzungen zufolge lassen sich die Kosten für Strukturmaterial durch den Einsatz des neuen Stahls um den Faktor 40 senken, was ein großes Potenzial für Industrieanwendungen aufzeigt.
“Von experimentellen Materialien bis hin zu realen Produkten wie Netzen und Schäumen für Wasserelektrolyseure sind noch schwierige Aufgaben zu lösen. Jetzt ist uns ein großer Schritt in Richtung Industrialisierung gelungen. In Zusammenarbeit mit einer Fabrik auf dem Festland wurden bereits Tonnen von SS-H2-Draht produziert”, erklärt Professor Huang.
Die Leistung des neuen Stahls in Salzwasser-Elektrolyseuren ist vergleichbar mit der heutiger Industrieanwendungen, die Titan als Strukturbauteil zur Erzeugung von Wasserstoff aus entsalztem Meerwasser oder Säure verwenden. Die Kosten des neuen Stahls sind jedoch deutlich niedriger.
Kontraintuitive Entdeckung
Rostfreier Stahl ist ein wichtiger Werkstoff, der in korrosiven Umgebungen weit verbreitet ist. Wesentliches Element für die Korrosionsbeständigkeit ist Chrom. Die Oxidation von Chrom bildet einen passiven Film, der rostfreien Stahl in natürlichen Umgebungen schützt. Wie das Team um Professor Mingxin Huang gezeigt hat, ist es jedoch ein Fehler, sich auf diesen Passivierungsmechanismus zu verlassen.
So weist der nichtrostende Superstahl 254SMO zwar eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Lochfraß in Meerwasser auf. Die transpassive Korrosion schränkt seine Anwendung jedoch ein. Bei herkömmlichen nichtrostenden Stählen tritt transpassive Korrosion unweigerlich bei 1000 mV auf. Das liegt unterhalb des für die Wasseroxidation erforderlichen Potenzials von 1600 mV.
Doppelte Passivierung führt zu höherer Korrosionsbeständigkeit
Den chinesischen Forschern ist es gelungen, die Korrosion ihres Stahls in chloridhaltigen Medien bis zu einem Potential von 1700 mV durch eine “sequentielle Doppelpassivierung” zu verhindern. Bei der Doppelpassivierung bildet sich zusätzlich zur Passivschicht auf Chromoxid-Basis bei 720 mV eine sekundäre Schicht auf Mangan-Basis.
SS-H2 stellt aufgrund dieser überlegenen Korrosionsbeständigkeit einen grundlegenden Durchbruch gegenüber herkömmlichem rostfreien Stahl dar.
“Wir haben es zuerst nicht geglaubt, weil die vorherrschende Meinung war, dass Mn die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl beeinträchtigt. Die Passivierung auf Mn-Basis war mit dem bisherigen Kenntnisstand der Korrosionsforschung nicht erklärbar. Als jedoch zahlreiche Ergebnisse auf atomarer Ebene vorgelegt wurden, waren wir überzeugt. Wir sind nicht nur überrascht, sondern können es kaum erwarten, den Mechanismus zu nutzen”, sagt Dr. Kaiping Yu, Erstautor des Artikels und Doktorvater von Professor Huang.
Von der Entdeckung des rostfreien Stahls bis zur Vorbereitung der offiziellen Veröffentlichung und hoffentlich der industriellen Anwendung investierte das Team fast sechs Jahre Arbeit.
Weitere Informationen: Kaiping Yu et al., A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation, Materials Today (2023). DOI: 10.1016/j.mattod.2023.07.022