香港大學(xué)（港大）機(jī)械工程系黃明欣教授領(lǐng)導(dǎo)的“超級鋼”研發(fā)專案取得重大突破，團(tuán)隊研發(fā)“制氫用不銹鋼”嶄新超級鋼材，其耐鹽水腐蝕和制氫表現(xiàn)，遠(yuǎn)優(yōu)于任何傳統(tǒng)及商業(yè)用不銹鋼。

這是黃明欣教授工程團(tuán)隊繼研發(fā)殺滅新冠病毒的不銹鋼材（2021年）、超強(qiáng)超韌（2017年及2020年）超級鋼材，新超級鋼材研發(fā)工作又一重要突破。

目前工業(yè)制氫主要利用堿性或中性（弱酸性）溶液，海水作為制氫來源，一般需要經(jīng)過淡化，電解槽的結(jié)構(gòu)部件通常采用鍍金或鉑的純鈦材料，成本昂貴。

團(tuán)隊研發(fā)的“制氫用不銹鋼”可在鹽水中直接產(chǎn)氫，亦可替換純鈦結(jié)構(gòu)部件，使得結(jié)構(gòu)部件成本便宜數(shù)十倍，更為目前仍處于研究和開發(fā)階段的海水制氫技術(shù)，提供可行并具經(jīng)濟(jì)效益的潛在解決方案。

研究成果已在材料科學(xué)領(lǐng)域的旗艦期刊《今日材料》（Materials Today）發(fā)表，題為“A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation”。

新超級鋼材正在申請多國專利，有兩項已得到授權(quán)，并有業(yè)界表達(dá)合作開發(fā)的興趣。

不銹鋼自一個世紀(jì)前被發(fā)現(xiàn)以來，一直是耐腐蝕的重要材料，廣泛應(yīng)用于建筑、交通運(yùn)輸、食品、醫(yī)療等領(lǐng)域。不銹鋼是一種合金，鉻（chromium）元素的添加是其耐腐蝕的關(guān)鍵所在。通過鉻的氧化而形成的鈍化膜（鉻鈍化），可在自然環(huán)境中保護(hù)不銹鋼不被腐蝕。然而，當(dāng)鉻進(jìn)一步氧化形成可溶性六價鉻，會出現(xiàn)過鈍化腐蝕的現(xiàn)象，阻礙了不銹鋼的耐腐蝕性能，這通常在約1,000 mV（飽和甘汞, SCE）發(fā)生 ，低于電解水制氫的約1,600mV工作電位。

目前鉻基防腐合金的標(biāo)桿是254SMO超級不銹鋼，其在海水中具有優(yōu)異的抗腐蝕能力；然而，過鈍化腐蝕限制了其在更高電位下的應(yīng)用。

港大黃明欣教授團(tuán)隊采用了一種全新的“連續(xù)雙鈍化”策略，開發(fā)出具有前所未有耐腐蝕性能的新型“制氫用不銹鋼”。與傳統(tǒng)單層鈍化膜不同，新型不銹鋼在鉻基鈍化膜的基礎(chǔ)上形成了一層全新的錳（Manganese）基鈍化膜。這種鉻錳雙鈍化的組合可保護(hù)新型不銹鋼在氯化物介質(zhì)中耐腐蝕至1700 mV，與傳統(tǒng)不銹鋼相比，抗腐蝕能力大幅提升。

“當(dāng)初我們并不相信錳基鈍化這一發(fā)現(xiàn)，這是反直覺的，當(dāng)前知識無法解釋，因為普遍的觀點(diǎn)認(rèn)為錳會損害不銹鋼的耐腐蝕性。然而，當(dāng)我們進(jìn)一步研究，對這現(xiàn)象取得更多原子層面的證據(jù)，終于被說服了。驚訝之余，我們更加迫不及待地想利用這一機(jī)制?！闭撐牡牡谝蛔髡摺ⅫS教授的學(xué)生余開平博士說。

黃明欣教授和余開平博士

從發(fā)現(xiàn)錳基鈍化到科學(xué)理論的突破，至研究結(jié)果正式發(fā)表開啟新型不銹鋼工業(yè)化應(yīng)用之門，團(tuán)隊花了近六年的時間。

“與當(dāng)前腐蝕界主要關(guān)注自然電位下的腐蝕不同，我們專注于開發(fā)耐高電位腐蝕合金，「連續(xù)雙鈍化」克服了傳統(tǒng)不銹鋼的熱力學(xué)局限性，提供了一種適用于耐電位合金開發(fā)的范例。這一突破令人興奮，并開拓了全新的應(yīng)用領(lǐng)域?！秉S教授說。

目前利用淡化的海水或酸性溶液制氫，使用昂貴的鍍金或鉑的純鈦材料作為電解槽結(jié)構(gòu)部件，現(xiàn)階段功率為10兆瓦的PEM電解槽設(shè)備總體成本約為1,780萬港元，其中結(jié)構(gòu)件成本比重可高達(dá)53%，團(tuán)隊研發(fā)的新型不銹鋼有望將結(jié)構(gòu)材料成本降低約40倍。

“這展示出巨大的工業(yè)應(yīng)用價值。然而，從實(shí)驗材料到工業(yè)化產(chǎn)品，必然面臨著各種挑戰(zhàn)。我們與中國內(nèi)地一家工廠合作，成功制造以噸計的新型不銹鋼鋼絲，作更多的測試，期望將這具經(jīng)濟(jì)效益的鋼材推進(jìn)應(yīng)用到可再生能源制氫，向工業(yè)化邁進(jìn)?！秉S教授補(bǔ)充說。