“لا يمكن تفسيره” – علماء يكشفون النقاب عن الفولاذ الثوري المقاوم للصدأ [ستانلس ستيل – هيدروجين] – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

“Cannot Be Explained” – Scientists Unveil Revolutionary SS-H₂ Steel
(THE UNIVERSITY OF HONG KONG – بواسطة: جامعة هونغ كونغ)

ملخص المقالة:

طور علماء من جامعة هونغ كونغ الفولاذ المقاوم للصدأ الرائد لإنتاج الهيدروجين، “ستانلس ستيل – هيدروجين”، والذي يوفر مقاومة فائقة للتآكل وفعالية من حيث التكلفة، ويمكن أن يقلل بشكل كبير من تكاليف المواد المستخدمة في التحليل الكهربائي للمياه، مما يمهد الطريق لإنتاج الهيدروجين بأسعار معقولة من مصادر متجددة.

( المقالة )

حقق فريق برئاسة البروفيسور مينغكسين هوانغ من قسم الهندسة الميكانيكية بجامعة هونغ كونغ تقدمًا كبيرًا في مجال الفولاذ المقاوم للصدأ. ويركز هذا الابتكار الأخير على تطوير الفولاذ المقاوم للصدأ المصمم لتطبيقات الهيدروجين، والمعروف باسم “ستانلس ستيل – هيدروجين”.

ويعد هذا الإنجاز جزءًا من مشروع “الفولاذ الفائق” المستمر للبروفيسور هوانغ، والذي حقق سابقًا معالم بارزة مع إنشاء الفولاذ المقاوم للصدأ المضاد لكوفيد-19 (COVID-19) في عام 2021 وتطوير الفولاذ الفائق القوة والصلابة للغاية في عامي 2017 و2020.

ويُظهر الفولاذ الجديد الذي طوره الفريق مقاومة عالية للتآكل، مما يتيح إمكانية تطبيقه لإنتاج الهيدروجين الأخضر من مياه البحر، حيث لا يزال هناك حل مستدام جديد في طور الإعداد.

ويمكن مقارنة أداء الفولاذ الجديد في المحلل الكهربائي للمياه المالحة بالممارسات الصناعية الحالية التي تستخدم التيتانيوم كأجزاء هيكلية لإنتاج الهيدروجين من مياه البحر المحلاة أو [من] الحمض، في حين أن تكلفة الفولاذ الجديد أرخص بكثير.

وقد تم نشر هذا الاكتشاف في مجلة “المواد اليوم” (Materials Today). وتتقدم الإنجازات البحثية حاليًا بطلب للحصول على براءات اختراع في العديد من البلدان، وقد تم بالفعل منح ترخيص لاثنتين منها.

ثورة في مقاومة التآكل

منذ اكتشافه قبل قرن من الزمان، كان الفولاذ المقاوم للصدأ دائمًا مادة مهمة تستخدم على نطاق واسع في البيئات المسببة للتآكل. ويعد الكروم عنصرًا أساسيًا في تحديد مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ.

ويتم إنشاء الفيلم السلبي [طبقة رقيقة] من خلال أكسدة الكروم (Cr) و[الذي] يحمي الفولاذ المقاوم للصدأ في البيئات الطبيعية. ولسوء الحظ، فإن آلية التخميل الفردي التقليدية القائمة على الكروم قد أوقفت المزيد من التقدم في الفولاذ المقاوم للصدأ.

ونظرًا لمزيد من أكسدة أكسيد الكروم (Cr₂O₃) [ويسمى ايضا ثالث أكسيد ثنائي كروم] المستقر إلى أنواع من الكروم السداسي التكافؤ (Cr(VI)) قابلة للذوبان، يحدث التآكل العابر للسلبي (tranpassive corrosion) حتمًا في الفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي عند ~ 1000 مللي فولت (قطب الكالوميل المشبع، (Saturated Calomet Electrode – SCE)، وهو أقل من الإمكانات المطلوبة لأكسدة الماء عند ~ 1600 مللي فولت.

فعلى سبيل المثال، يعد الفولاذ المقاوم للصدأ الفائق “اس ام او 254” [254 SMO[1]] معيارًا بين السبائك المضادة للتآكل القائمة على الكروم ويتمتع بمقاومة فائقة للتنقر (pitting) في مياه البحر؛ ومع ذلك، فإن التآكل العابر يحد من تطبيقه عند الإمكانات الأعلى.

وباستخدام استراتيجية “التخميل المزدوج المتسلسل”، قام فريق بحث البروفيسور هوانغ بتطوير “ستانلس ستيل – هيدروجين” الجديد ذي المقاومة الفائقة للتآكل. وبالإضافة إلى الطبقة المنفعلة القائمة على ثالث أكسيد ثنائي كروم، تتشكل طبقة ثانوية قائمة على المنغنيز على الطبقة السابقة القائمة على الكروم عند 720 مللي فولت تقريبًا.

وتمنع آلية التخميل المزدوج التسلسلي “ستانلس ستيل – هيدروجين” من التآكل في وسط الكلوريد إلى إمكانات عالية جدًا تبلغ 1700 مللي فولت. يُظهر “ستانلس ستيل – هيدروجين” اختراقًا أساسيًا مقارنة بالفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي.

اكتشاف غير متوقع والتطبيقات المحتملة

قال الدكتور كايبينغ يو، المؤلف الأول للمقالة، والذي أشرف عليه البروفيسور هوانغ في درجة الدكتوراه: “في البداية، لم نصدق ذلك لأن الرأي السائد هو أن المنغنيز يضعف مقاومة التآكل للفولاذ المقاوم للصدأ. يعد التخميل المعتمد على المنغنيز اكتشافًا غير بديهي، ولا يمكن تفسيره بالمعرفة الحالية في علم التآكل. ومع ذلك، عندما تم تقديم العديد من النتائج على المستوى الذري، اقتنعنا. وفوق كوننا متفاجئين، لا يمكننا الانتظار لاستغلال هذه الآلية”.

وقد كرس الفريق ما يقرب من ست سنوات للعمل منذ الاكتشاف الأولي للفولاذ المقاوم للصدأ المبتكر وحتى تحقيق اختراق في الفهم العلمي، والتحضير في نهاية المطاف للنشر الرسمي وتطبيقه الصناعي.

“بخلاف مجتمع التآكل الحالي، والذي يركز بشكل أساسي على المقاومة عند الإمكانات الطبيعية، فإننا متخصصون في تطوير سبائك ذات مقاومة عالية. تغلبت استراتيجيتنا على القيود الأساسية للفولاذ المقاوم للصدأ التقليدي وأنشأت نموذجًا لتطوير السبائك المطبقة بإمكانات عالية. وهذا الاختراق مثير ويجلب تطبيقات جديدة”، قال البروفيسور هوانغ.

وفي الوقت الحاضر، بالنسبة للمحللات الكهربائية للمياه في مياه البحر المحلاة أو المحاليل الحمضية، يلزم وجود التيتانيوم باهظ الثمن مطلي بالذهب والبلاتين للمكونات الهيكلية. فعلى سبيل المثال، تبلغ التكلفة الإجمالية لنظام خزان التحليل الكهربائي لغشاء تبادل البروتونات (Proton Exchange Membrane (PEM)) بقدرة 10 ميجاوات في مرحلته الحالية حوالي 17.8 مليون دولار هونج كونج،

وتساهم المكونات الهيكلية بما يصل إلى 53% من التكلفة الإجمالية. إن التقدم الذي حققه فريق البروفيسور هوانغ يجعل من الممكن استبدال هذه المكونات الهيكلية باهظة الثمن بفولاذ أكثر اقتصادا. وكما هو مقدر، من المتوقع أن يؤدي استخدام “ستانلس ستيل – الهيدروجين” إلى خفض تكلفة المواد الإنشائية بنحو 40 مرة، مما يدل على تقدم كبير في التطبيقات الصناعية.

وأضاف البروفيسور هوانغ: “من المواد التجريبية إلى المنتجات الحقيقية، مثل الشبكات والرغاوي، الخاصة بالمحللات الكهربائية للمياه، لا تزال هناك مهام صعبة في متناول اليد. حاليا، لقد خطونا خطوة كبيرة نحو التصنيع. تم إنتاج أطنان من الأسلاك المعتمدة على “ستانلس ستسيل – الهيدروجين” بالتعاون مع مصنع من “مين لاند”. إننا نمضي قدمًا في تطبيق ستانلس ستسيل – هيدروجين الأكثر اقتصاديا في إنتاج الهيدروجين من مصادر متجددة”.

*تمت الترجمة بتصرف

المرجع: “A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation” by Kaiping Yu, Shihui Feng, Chao Ding, Meng Gu, Peng Yu and Mingxin Huang, 19 August 2023, Materials Today. DOI: 10.1016/j.mattod.2023.07.022

المصدر:

https://scitechdaily.com/cannot-be-explained-scientists-unveil-revolutionary-ss-h2-steel/

الهوامش:

[1] تم تطوير قضيب الفولاذ المقاوم للصدأ “اس ام او 254” (254 SMO® )، والمعروف أيضًا باسم “يو ان اس اس 31254” (UNS S31254)، في الأصل للاستخدام في مياه البحر وغيرها من البيئات العنيفة الحاملة للكلوريد. يعتبر هذا الصف من الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي عالي الجودة؛ يتكون بشكل أساسي من ما بين 19.5% و20.5% كروم، و17.5% إلى 18.5% نيكل، و6% إلى 6.5% موليبدينوم، و18% إلى 0.22% نيتروجين. تسمح هذه المستويات المحددة من الكروم والنيكل والموليبدينوم والنيتروجين في هذا التركيب الكيميائي “الفائق الأوستنيتي” لـ 31254 بالجمع بين مقاومة الصدمات والتكسير الناتج عن التآكل، مع مقاومة التآكل والشقوق. والنتيجة هي قوة تعادل ضعف قوة الفولاذ المقاوم للصدأ من سلسلة 300 تقريبًا. غالبًا ما يُشار إلى “يو ان اس اس 31254” على أنه درجة “6% مولي” نظرًا لمحتوى الموليبدينوم؛ تتمتع عائلة مولي 6% بالقدرة على تحمل درجات الحرارة المرتفعة والحفاظ على قوتها في ظل الظروف المتقلبة. لقد تجاوزت هذه الدرجة غرضها الأصلي وتداخلت في العديد من الصناعات التي أثبتت فائدتها بسبب المستوى العالي من كمية الموليبدينوم والعناصر الأخرى، مما يسمح باستخدام 31254 بنجاح في تطبيقات مختلفة مثل إزالة الكبريت من غاز المداخن والبيئات الكيميائية. المصدر: https://www.nsalloys.com/products/stainless-steel-bar/duplex/254-smo.html . أما الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي فهو أحد الفئات الخمس للفولاذ المقاوم للصدأ ذات البنية البلورية (جنبًا إلى جنب مع الحديد، والمارتنسيت، والمزدوج، والمصلب بالترسيب). هيكلها البلوري الأساسي هو الأوستينيت (مكعب مركزي الوجه) ويمنع الفولاذ من التصلب عن طريق المعالجة الحرارية ويجعله غير مغناطيسي بشكل أساسي. يتم تحقيق هذا الهيكل عن طريق إضافة ما يكفي من عناصر تثبيت الأوستينيت مثل النيكل والمنغنيز والنيتروجين. تنتمي عائلة سبائك “إنكولوي” (Incoloy) إلى فئة الفولاذ المقاوم للصدأ الأوستنيتي الفائق. ويكيبيديا.