Una svolta nel campo dell’acciaio inossidabile, ottenuta dall’Università di Hong Kong (HKU), potrebbe contribuire a risolvere uno dei maggiori problemi che affliggono l’idrogeno verde: come costruire elettrolizzatori sufficientemente resistenti all’acqua di mare, ma al contempo economici per la produzione di energia pulita su larga scala.
Guidato dal professor Mingxin Huang del Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell’Università di Hong Kong, il team ha sviluppato uno speciale acciaio inossidabile per la produzione di idrogeno SS-H₂. Il materiale resiste alla corrosione in condizioni che normalmente spingono l’acciaio inossidabile oltre i suoi limiti, rendendolo un candidato promettente per la produzione di idrogeno dall’acqua di mare e da altri ambienti aggressivi degli elettrolizzatori.
La scoperta, riportata su Materials Today nello studio “Una strategia sequenziale di doppia passivazione per la progettazione di acciaio inossidabile utilizzato al di sopra dell’ossidazione in acqua”, si basa sul progetto “Super Steel” di lunga data di Huang. Lo stesso programma di ricerca aveva già prodotto acciaio inossidabile anti-COVID-19 nel 2021, oltre a Super Steel ultra resistente e ultra tenace nel 2017 e nel 2020.
Un percorso più economico verso l’idrogeno verde
L’idrogeno verde si produce utilizzando l’elettricità, idealmente da fonti rinnovabili, per scindere l’acqua in idrogeno e ossigeno. L’acqua di mare è una materia prima particolarmente interessante perché abbondante, ma presenta un serio problema di materiali: sale, ioni cloruro, reazioni secondarie e corrosione possono danneggiare rapidamente i componenti dell’elettrolizzatore.
Recenti studi sull’elettrolisi diretta dell’acqua di mare continuano a evidenziare la stessa sfida principale. La tecnologia potrebbe fornire una via più sostenibile per la produzione di idrogeno, ma la corrosione, le reazioni collaterali legate al cloro, il degrado del catalizzatore, la formazione di precipitati e la limitata durabilità a lungo termine rimangono ostacoli importanti al suo utilizzo commerciale.
È qui che l’acciaio inossidabile SS-H2 potrebbe fare la differenza. In un elettrolizzatore ad acqua salata, il team dell’Università di Hong Kong ha scoperto che il nuovo acciaio può offrire prestazioni paragonabili ai materiali strutturali a base di titanio attualmente utilizzati nell’industria per la produzione di idrogeno da acqua di mare desalinizzata o da acido. La differenza sta nel costo. I componenti in titanio rivestiti con metalli preziosi come oro o platino sono costosi, mentre l’acciaio inossidabile è molto più economico.
Per un sistema di elettrolisi PEM da 10 megawatt, il costo totale al momento della pubblicazione del rapporto dell’Università di Hong Kong era stimato in circa 17,8 milioni di dollari di Hong Kong, con i componenti strutturali che rappresentavano ben il 53% di tale spesa. Secondo le stime del team, la sostituzione di questi costosi materiali strutturali con SS-H2 potrebbe ridurre il costo dei materiali strutturali di circa 40 volte.
Perché l’acciaio inossidabile comune fallisce
L’acciaio inossidabile viene utilizzato da oltre un secolo in ambienti corrosivi perché si autoprotegge. L’ingrediente chiave è il cromo. Quando il cromo (Cr) si ossida, crea una sottile pellicola passivante che protegge l’acciaio dai danni.
ha un limite intrinseco. Nell’acciaio inossidabile convenzionale, lo strato protettivo a base di cromo può degradarsi ad alti potenziali elettrici. Il Cr₂O₃ stabile essere può Ma questo sistema di protezione, pur familiare , ulteriormente ossidato in specie di Cr(VI) solubili, causando corrosione transpassiva a circa ~1000 mV (elettrodo a calomelano saturo, SCE). Questo valore è ben al di sotto dei ~1600 mV necessari per l’ossidazione dell’acqua.
Anche l’acciaio inossidabile 254SMO, una lega di riferimento a base di cromo nota per la sua elevata resistenza alla corrosione per vaiolatura in acqua di mare, raggiunge questo limite di alta tensione. Può funzionare bene in normali ambienti marini, ma l’ambiente elettrochimico estremo della produzione di idrogeno rappresenta una sfida diversa.
L’acciaio che costruisce un secondo scudo
La risposta del team dell’Università di Hong Kong è stata una strategia chiamata “doppia passivazione sequenziale”. Invece di affidarsi solo alla solita barriera di ossido di cromo, SS-H 2 forma un secondo strato protettivo.
Il primo strato è il familiare film passivante a base di Cr₂O₃ Successivamente . , a circa ~720 mV , si forma uno strato a base di manganese sopra lo strato a base di cromo. Questo secondo strato protettivo contribuisce a proteggere l’acciaio in ambienti contenenti cloruri fino a un potenziale estremamente elevato di 1700 mV.
È proprio questo che rende la scoperta così sorprendente. Il manganese non è generalmente considerato un alleato della resistenza alla corrosione dell’acciaio inossidabile. Anzi, l’opinione prevalente è sempre stata che il manganese lo indebolisca.
“Inizialmente, non ci credevamo perché l’opinione prevalente è che il manganese comprometta la resistenza alla corrosione dell’acciaio inossidabile. La passivazione a base di manganese è una scoperta controintuitiva, che non può essere spiegata dalle attuali conoscenze nel campo della scienza della corrosione. Tuttavia, quando sono stati presentati numerosi risultati a livello atomico, ci siamo convinti. Oltre ad essere sorpresi, non vediamo l’ora di sfruttare questo meccanismo”, ha affermato il dottor Kaiping Yu, primo autore dell’articolo, la cui tesi di dottorato è supervisionata dal professor Huang.
Sei anni di impegno, dalla sorpresa all’applicazione.
Il percorso dalla prima osservazione alla pubblicazione non è stato breve. Il team ha impiegato quasi sei anni, passando dalla scoperta iniziale di questo insolito acciaio inossidabile alla spiegazione scientifica più approfondita, per poi giungere alla pubblicazione e al potenziale utilizzo industriale.
“A differenza dell’attuale comunità scientifica che si occupa di corrosione, la quale si concentra principalmente sulla resistenza ai potenziali naturali, noi siamo specializzati nello sviluppo di leghe resistenti ad alti potenziali. La nostra strategia ha superato la limitazione fondamentale dell’acciaio inossidabile convenzionale e ha stabilito un paradigma per lo sviluppo di leghe applicabili ad alti potenziali. Questa svolta è entusiasmante e apre la strada a nuove applicazioni”, ha affermato il professor Huang.
Il lavoro si è esteso anche al di fuori del laboratorio. I risultati della ricerca sono stati oggetto di domande di brevetto in diversi paesi e due brevetti erano già stati concessi al momento dell’annuncio dell’Università di Hong Kong. Il team ha inoltre riferito di aver prodotto tonnellate di filo a base di SS-H 2 in uno stabilimento nella Cina continentale.
“Dai materiali sperimentali ai prodotti reali, come reti e schiume per gli elettrolizzatori d’acqua, ci sono ancora sfide da affrontare. Attualmente, abbiamo fatto un grande passo avanti verso l’industrializzazione. Sono state prodotte tonnellate di filo a base di SS-H₂ in collaborazione con una fabbrica della Cina continentale. Stiamo procedendo nell’applicazione del più economico SS-H₂ nella produzione di idrogeno da fonti rinnovabili”, ha aggiunto il professor Huang.
Perché la tempistica è ancora importante
Sebbene lo studio SS-H 2 sia stato pubblicato nel 2023, il suo problema principale è diventato ancora più rilevante. Le ricerche più recenti sull’elettrolisi dell’acqua di mare continuano a concentrarsi sugli stessi punti critici: materiali resistenti alla corrosione, elettrodi di lunga durata, soppressione del cloro e sistemi progettati per resistere all’acqua di mare reale, anziché a soluzioni ideali di laboratorio. Una del 2025 pubblicata su Nature Reviews Materials revisione ha descritto l’elettrolisi diretta dell’acqua di mare come promettente, ma ancora limitata da corrosione, reazioni collaterali, precipitati metallici e durata limitata.
Altri studi recenti hanno esplorato elettrodi a base di acciaio inossidabile con strati catalitici protettivi, tra cui rivestimenti a base di NiFe e cluster atomici di Pt, per migliorarne la durabilità in acqua di mare naturale. I ricercatori hanno anche riportato strategie per anodi resistenti alla corrosione realizzati su substrati di acciaio inossidabile, a dimostrazione che l’acciaio inossidabile rimane un elemento chiave nello sforzo di rendere più praticabile l’elettrolisi dell’acqua di mare.
Questa nuova ricerca non sostituisce la scoperta dell’SS-H 2. Piuttosto, rafforza l’importanza dell’approccio del team dell’Università di Hong Kong. Il settore è ancora alla ricerca di materiali in grado di resistere alla combinazione estrema di agenti chimici marini, alta tensione e sollecitazioni operative industriali. L’SS-H 2 si distingue perché affronta il problema non solo con un rivestimento o un catalizzatore, ma con una nuova strategia di progettazione delle leghe che cambia il modo in cui l’acciaio inossidabile si protegge.
Una svolta nel settore siderurgico con potenziale di energia pulita.
SS-H 2 non è ancora una soluzione “plug and play” per l’economia dell’idrogeno. Il team ha riconosciuto che la trasformazione di materiali sperimentali in veri e propri prodotti per elettrolizzatori, tra cui reti e schiume, richiede ancora un complesso lavoro di ingegneria.
Ciononostante, la promessa è chiara. Un acciaio inossidabile in grado di resistere alle condizioni di alta tensione dell’acqua di mare, sostituendo al contempo i costosi componenti a base di titanio, potrebbe rendere la produzione di idrogeno più economica, più scalabile e più facilmente integrabile con le energie rinnovabili.
In un settore in cui costi e durabilità spesso determinano se una tecnologia può uscire dal laboratorio, un acciaio in grado di creare un secondo scudo protettivo potrebbe rappresentare più di una semplice sorpresa nel campo della scienza dei materiali. Potrebbe infatti diventare un passo concreto verso la produzione di idrogeno più pulito su scala industriale.
L’acciaio inossidabile è un materiale fondamentale utilizzato in una vasta gamma di settori industriali. Purtroppo, lo sviluppo attuale dell’acciaio inossidabile ha raggiunto una fase di stallo a causa della limitazione fondamentale del meccanismo di passivazione singola convenzionale a base di cromo. In questo studio, dimostriamo che, utilizzando un meccanismo di doppia passivazione sequenziale, è possibile ottenere proprietà anticorrosive sostanzialmente migliorate nell’acciaio inossidabile contenente manganese, con un elevato potenziale di rottura di circa 1700 mV (elettrodo a calomelano saturo, SCE) in una soluzione di NaCl al 3,5% in peso. Nello specifico, la passivazione convenzionale a base di cromo e quella controintuitiva a base di manganese vengono attivate in sequenza durante la polarizzazione potenziostatica . Lo strato passivo a base di cromo previene la corrosione a bassi potenziali inferiori a circa 720 mV (SCE), mentre lo strato passivo a base di manganese resiste alla corrosione ad alti potenziali fino a circa 1700 mV (SCE). L’attuale strategia di “doppia passivazione sequenziale” amplia la regione di passivazione dell’acciaio inossidabile a potenziali elevati al di sopra dell’ossidazione dell’acqua , rendendoli potenziali materiali anodici per applicazioni ecocompatibili. Produzione di idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua .
Kaiping Yu, Shihui Feng, Chao Ding, Meng Gu, Peng Yu, Mingxin Huang. A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation. Materials Today, 2023; 70: 8 DOI: 10.1016/j.mattod.2023.07.022
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