Thép mới mở đường giảm chi phí sản xuất hydro xanh

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Hồng Kông (HKU) đã phát triển loại thép không gỉ dành cho các hệ thống sản xuất hydro, có tên SS-H2, với khả năng chống ăn mòn vượt qua giới hạn của thép không gỉ thông thường. Phát hiện này được kỳ vọng giúp giảm chi phí vật liệu cho các hệ thống điện phân nước, đặc biệt trong điều kiện có chloride như nước biển.

Nghiên cứu do GS. Mingxin Huang dẫn đầu và kết quả của nghiên cứu đã được công bố trên Tạp chí Materials Today.

Khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ chủ yếu đến từ chromium. Khi tiếp xúc với môi trường, nguyên tố này hình thành một lớp chromium oxide mỏng trên bề mặt, giúp bảo vệ phần kim loại bên trong. Tuy nhiên, lớp bảo vệ này có giới hạn khi vật liệu hoạt động ở điện thế cao.

Trong quá trình điện phân nước, phản ứng oxy hóa nước cần điện thế khoảng 1.600 mV. Trong khi đó, ở thép không gỉ thông thường, lớp bảo vệ dựa trên chromium có thể bắt đầu suy giảm ở khoảng 1.000 mV. Khi đó, vật liệu có nguy cơ chuyển sang trạng thái ăn mòn chuyển tiếp. Ngay cả thép không gỉ siêu bền 254SMO, vốn có khả năng chống ăn mòn tốt trong nước biển, cũng gặp hạn chế tương tự khi điện thế tăng cao.

SS-H2 khắc phục hạn chế này bằng cơ chế mà nhóm nghiên cứu gọi là “thụ động hóa kép tuần tự”. Bên cạnh lớp chromium oxide truyền thống, SS-H2 hình thành thêm một lớp bảo vệ dựa trên mangan ở điện thế khoảng 720 mV.

Nhờ hai lớp bảo vệ, SS-H2 có thể chống ăn mòn trong môi trường chứa chloride ở điện thế lên tới 1.700 mV, cao hơn mức cần thiết cho quá trình oxy hóa nước. Đây là điểm đáng chú ý bởi chloride, thành phần phổ biến trong nước biển, có thể gây ăn mòn cục bộ đối với nhiều kim loại.

Điều bất ngờ nằm ở chính mangan. Theo TS. Kaiping Yu, tác giả chính của nghiên cứu, quan niệm phổ biến trước đây cho rằng mangan có thể làm giảm khả năng chống ăn mòn của thép không gỉ. Phát hiện về lớp bảo vệ dựa trên mangan, vì thế đi ngược với hiểu biết hiện tại về cơ chế ăn mòn.

Khả năng chịu điện thế cao khiến SS-H2 có tiềm năng ứng dụng trong sản xuất hydro xanh. Công nghệ này sử dụng điện để tách nước thành hydro và oxy; nếu nguồn điện đến từ năng lượng tái tạo, hydro tạo ra được xem là hydro xanh. Tuy nhiên, các thiết bị điện phân phải hoạt động trong điều kiện hóa học và điện hóa khắc nghiệt, đặc biệt khi sử dụng nước chứa muối.

Hiện nay, một số hệ thống điện phân sử dụng các bộ phận bằng titanium, thậm chí phủ vàng hoặc platinum, để chống ăn mòn. Đây là những vật liệu hiệu quả nhưng có chi phí cao.

Theo nhóm nghiên cứu, một hệ thống điện phân PEM công suất 10 MW hiện có chi phí khoảng 17,8 triệu HKD, trong đó các bộ phận kết cấu có thể chiếm tới 53% tổng chi phí. Nhóm ước tính việc sử dụng SS-H2 có thể giảm khoảng 40 lần chi phí vật liệu kết cấu.

Nhóm nghiên cứu cho biết đã bắt đầu chuyển SS-H2 sang sản xuất quy mô lớn. Một lượng lớn dây SS-H2 đã được sản xuất với sự hợp tác của một nhà máy tại Trung Quốc đại lục. Các nhà khoa học đang tiếp tục phát triển vật liệu thành những cấu kiện phù hợp với thiết bị điện phân, hướng tới ứng dụng trong sản xuất hydro từ các nguồn năng lượng tái tạo./.