具有高度耐腐蝕性之新型超級不銹鋼,可望應用於海水製氫電解裝置

 

刊登日期:2023/12/26
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香港大學開發出一項即使在不銹鋼鈍態膜(Passive Film)也會被溶解的惡劣腐蝕環境下,仍可維持優異耐腐蝕性能之不銹鋼。除了既有的Cr基鈍態膜之外,研究團隊透過形成Mn基鈍態膜,實證確認可抑制過鈍態腐蝕(Transpassive Corrosion)。新開發的不銹鋼可望做為較具經濟性之材料,利用於目前使用鍍有高價貴金屬的鈦且以淡化海水製氫之水電解設備。

不銹鋼做為產業用耐腐蝕材料有著悠久的歷史,是一項廣泛應用於腐蝕環境的重要材料。不銹鋼含有實現耐腐蝕性的基本元素Cr,Cr的氧化形成鈍態膜,確保了在自然環境中的耐腐蝕性。然而,如果在電解液環境中與其他金屬接觸,腐蝕電位變得非常高的狀態時,腐蝕即因電化學反應而持續進行。若腐蝕電位約為900 mV以下,則三氧化二鉻(Cr2O3)鈍態膜呈現穩定並維持耐腐蝕性,當超過約1000 mV以上,即成為Cr2O3溶解的過鈍態區域,進而損害耐腐蝕性。

由於在輕水反應爐的再處理廠需要處理高氧化還原電位的金屬,腐蝕電位超過1000 mV,因而在結構不鏽鋼的選擇方面仍有問題待解決。另在可以從淡化海水或酸溶液中生產綠色氫氣、不排放二氧化碳的水電解設備方面,能有效分解水的電位約為1,600 mV,使用的結構材料則是鍍有高價的金、鉑的鈦。

有鑑於此,香港大學投入了即使在過鈍態區域亦能保持耐腐蝕性之新型不銹鋼的開發,設計出了Fe-20.73Cr-20.2Co-17.7Mn-1.7Si系超級不鏽鋼(簡稱SS-H2),並發現在約720 mV的電壓下,在Cr基鈍態膜的頂部形成了第二層的Mn基鈍態膜,藉由透過「連續雙重鈍態」機制,將可防止過鈍態區域的腐蝕。研究團隊發現SS-H2能夠在高達1700mV的極高電位下防止腐蝕,實現了遠遠超越既有不銹鋼的根本性突破。

目前以淡化海水或酸溶液生產綠色氫氣且不排放二氧化碳的水電解設備採用了鍍有昂貴金或鉑的鈦做為結構材料。例如一台10 MW級質子交換膜電解裝置的總成本約為230萬美元,其中有53%與結構零組件相關。若能透過活用具有經濟性的SS-H2,結構材料的成本可望降至約40分之1。


資料來源: https://engineer.fabcross.jp/archeive/231128_super-steel.html
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