Το μαγγάνιο, που θεωρούνταν αδυναμία, γίνεται το μυστικό όπλο του νέου χάλυβα
Σχετικά Άρθρα
Έξυπνος χάλυβας επισκευάζει ρωγμές στις γέφυρες και ενισχύει την αντοχή του 2 φορές όταν θερμαίνεται (Interesting Engineering)
Ερευνητική ανακάλυψη ανοίγει τον δρόμο για φθηνότερο πράσινο υδρογόνο - Αυξάνεται έως 80 φορές η αποδοτικότητα του
Ένα νέο ανοξείδωτο ατσάλι που αντέχει σε εξαιρετικά διαβρωτικές συνθήκες θα μπορούσε να αλλάξει τα δεδομένα στην παραγωγή πράσινου υδρογόνου. Ερευνητές του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ ανέπτυξαν ένα υλικό που μπορεί να αντισταθεί στη διάβρωση του θαλασσινού νερού ακόμη και σε πολύ υψηλά ηλεκτρικά δυναμικά, ανοίγοντας τον δρόμο για σημαντικά φθηνότερους ηλεκτρολύτες. Οι επιστήμονες δηλώνουν μάλιστα έκπληκτοι από τον μηχανισμό που χαρίζει στο υλικό αυτή την ασυνήθιστη αντοχή.
Ένας χάλυβας σχεδιασμένος για το πράσινο υδρογόνο
Η ερευνητική ομάδα του καθηγητή Mingxin Huang από το Τμήμα Μηχανολόγων Μηχανικών του Πανεπιστημίου του Χονγκ Κονγκ ανέπτυξε ένα νέο ανοξείδωτο ατσάλι, το οποίο ονόμασε SS-H2.
Το υλικό σχεδιάστηκε ειδικά για να αντέχει σε συνθήκες όπου οι συμβατικοί ανοξείδωτοι χάλυβες παρουσιάζουν σοβαρή διάβρωση.
Η πιθανότερη εφαρμογή του βρίσκεται στους ηλεκτρολύτες που χρησιμοποιούνται για την παραγωγή πράσινου υδρογόνου. Η ηλεκτρόλυση διασπά το νερό σε υδρογόνο και οξυγόνο χρησιμοποιώντας ηλεκτρική ενέργεια. Όταν η ηλεκτρική ενέργεια προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές, το παραγόμενο υδρογόνο χαρακτηρίζεται ως «πράσινο».
Ωστόσο, η χρήση θαλασσινού νερού δημιουργεί ένα σημαντικό πρόβλημα: τα άλατα και ιδιαίτερα τα χλωριόντα είναι εξαιρετικά επιθετικά απέναντι στα μέταλλα.
Γιατί ο συμβατικός ανοξείδωτος χάλυβας δεν επαρκεί
Η αντοχή του ανοξείδωτου χάλυβα στη διάβρωση οφείλεται σε μεγάλο βαθμό στο χρώμιο που περιέχει.
Όταν το χρώμιο έρθει σε επαφή με το περιβάλλον, σχηματίζει στην επιφάνεια του μετάλλου ένα εξαιρετικά λεπτό προστατευτικό στρώμα οξειδίου του χρωμίου. Το στρώμα αυτό λειτουργεί σαν ασπίδα και εμποδίζει τη διάβρωση να προχωρήσει στο εσωτερικό του μετάλλου.
Υπάρχει όμως ένα όριο.
Σε πολύ υψηλά ηλεκτρικά δυναμικά, το προστατευτικό στρώμα μπορεί να οξειδωθεί περαιτέρω και να δημιουργήσει διαλυτές ενώσεις του χρωμίου, οδηγώντας σε αυτό που ονομάζεται διαπαθητική διάβρωση (transpassive corrosion).
Το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην ηλεκτρόλυση, καθώς η οξείδωση του νερού απαιτεί πολύ υψηλότερο δυναμικό από εκείνο στο οποίο οι συμβατικοί ανοξείδωτοι χάλυβες αρχίζουν να χάνουν την προστασία τους.
Η «διπλή παθητικοποίηση» που αλλάζει τα δεδομένα
Η ομάδα του Huang φαίνεται πως βρήκε έναν τρόπο να ξεπεράσει αυτόν τον περιορισμό.
Οι ερευνητές περιγράφουν τον μηχανισμό ως «διαδοχική διπλή παθητικοποίηση» (sequential dual-passivation).
Ο χάλυβας δεν βασίζεται μόνο στο παραδοσιακό προστατευτικό στρώμα οξειδίου του χρωμίου. Δημιουργεί ένα δεύτερο προστατευτικό στρώμα, το οποίο βασίζεται στο μαγγάνιο.
Το δεύτερο αυτό στρώμα αρχίζει να σχηματίζεται σε πολύ χαμηλότερο ηλεκτρικό δυναμικό, περίπου στα 720 mV, και λειτουργεί συμπληρωματικά με το στρώμα του χρωμίου.
Χάρη στη συνδυασμένη δράση των δύο στρωμάτων, το SS-H2 μπορεί να παραμένει προστατευμένο από τη διάβρωση σε περιβάλλοντα που περιέχουν χλωριόντα, ακόμη και σε δυναμικά που φτάνουν περίπου τα 1.700 mV.
Το συγκεκριμένο όριο είναι ιδιαίτερα σημαντικό, καθώς υπερβαίνει το δυναμικό που απαιτείται για την οξείδωση του νερού κατά την ηλεκτρόλυση.
Το παράδοξο με το μαγγάνιο
Ίσως το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της ανακάλυψης είναι ο ρόλος του μαγγανίου.
Παραδοσιακά, το μαγγάνιο θεωρείται στοιχείο που μπορεί να επιβαρύνει την αντοχή του ανοξείδωτου χάλυβα στη διάβρωση. Στη συγκεκριμένη περίπτωση, όμως, φαίνεται να συμβαίνει το αντίθετο.
Το μαγγάνιο συμμετέχει στη δημιουργία ενός δεύτερου προστατευτικού στρώματος, προσφέροντας στον χάλυβα μια ιδιότητα που μέχρι σήμερα δεν ήταν αναμενόμενη με βάση την καθιερωμένη γνώση για τη διάβρωση των ανοξείδωτων χαλύβων.
Η ανακάλυψη αυτή ήταν τόσο απρόσμενη, ώστε οι ίδιοι οι ερευνητές αρχικά δυσκολεύτηκαν να αποδεχθούν τα αποτελέσματα. Όπως εξηγούν, η αντίληψη ότι το μαγγάνιο μπορεί να συμβάλλει στην παθητικοποίηση του χάλυβα έρχεται σε αντίθεση με την έως τώρα κατανόηση της συμπεριφοράς του συγκεκριμένου στοιχείου.
Χρειάστηκαν σχεδόν έξι χρόνια έρευνας και λεπτομερείς αναλύσεις σε ατομικό επίπεδο για να κατανοήσουν πώς ακριβώς το μαγγάνιο συμβάλλει στον σχηματισμό και τη σταθερότητα του δεύτερου προστατευτικού στρώματος και γιατί ο μηχανισμός αυτός επιτρέπει στον χάλυβα να παραμένει ανθεκτικός στη διάβρωση ακόμη και σε εξαιρετικά υψηλά ηλεκτρικά δυναμικά.
www.worldenergynews.gr
