Dans le processus d’expansion de la capacité de production d’hydrogène vert, le véritable goulot d’étranglement ne réside souvent pas dans l’approvisionnement en énergie, mais dans les matériaux clés. En particulier pour les équipements de production d'hydrogène pour l'électrolyse de l'eau de mer, l'environnement de travail est à la fois haute tension et hautement corrosif, ce qui rend difficile le fonctionnement stable de la plupart des métaux pendant une longue période. Ils sont contraints de recourir à des alliages de titane et à des revêtements en métaux précieux coûteux, ce qui augmente les coûts du système et limite le déploiement à grande échelle.Une équipe de recherche de l’Université de Hong Kong tente de sortir de cette situation. L'équipe dirigée par le professeur Huang Mingxin a développé un nouvel alliage d'acier inoxydable SS-H2 qui peut fonctionner de manière stable pendant longtemps dans un environnement électrolytique difficile et prétend pouvoir remplacer les composants coûteux existants.

Cette recherche, publiée dans la revue Materials Today, est l'un des derniers développements du projet de recherche à long terme « Super Steel » de l'équipe de Huang Mingxin, qui a déjà lancé des alliages à très haute résistance et des matériaux en acier inoxydable dotés de propriétés antibactériennes. L'objectif de conception du SS-H2 est de rester stable dans la plage de potentiel où l'acier inoxydable traditionnel échoue, et est particulièrement adapté aux appareils d'électrolyse utilisant directement l'eau de mer. Les chercheurs ont souligné que le problème central actuel est que la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable repose principalement sur le film d’oxyde dense formé par le chrome. Ce mécanisme fonctionne bien dans les environnements industriels et marins en général, mais il sera complètement brisé dans des conditions d'électrolyse à fort potentiel.

Les expériences montrent que lorsque le potentiel atteint environ 1 000 mV (par rapport à une électrode au calomel saturée), le film d'oxyde de chrome à la surface de l'acier inoxydable traditionnel commence à se décomposer, générant des espèces solubles et provoquant une corrosion sévère, tandis que les réactions efficaces d'oxydation de l'eau nécessitent généralement un potentiel d'environ 1 600 mV. Même l’alliage haut de gamme 254SMO, conçu pour les environnements difficiles d’eau de mer, ne peut pas rester stable à des potentiels aussi élevés. Par conséquent, de nombreux systèmes d’électrolyse actuels ne peuvent utiliser que des pièces structurelles à base de titane complétées par des revêtements en métaux précieux tels que le platine et l’or. Bien que fiables, ils augmentent considérablement le coût des équipements, surtout après leur passage à l’échelle industrielle.

L'idée du SS-H2 est de changer la façon dont le métal se protège. Dans l'acier inoxydable classique, la protection est principalement assurée par un seul film d'oxyde de chrome ; dans SS-H2, le matériau forme séquentiellement deux couches protectrices pendant le fonctionnement : d'abord un film d'oxyde conventionnel à base de chrome, puis à un potentiel plus élevé (environ 720 mV), une couche protectrice à base de manganèse est formée au-dessus. C'est cette deuxième couche de protection qui permet au matériau de rester stable jusqu'à environ 1 700 mV, couvrant ainsi la plage de tension nécessaire à la séparation de l'eau.

Il convient de noter que l’introduction du manganèse en elle-même est plutôt inattendue. Dans la pensée traditionnelle, on pense souvent que le manganèse affaiblit la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable, plutôt que de l’améliorer. Le Dr Yu Kaiping, le premier auteur de l'article, a rappelé que l'équipe avait initialement eu du mal à croire que le Mn puisse aider à former une couche de passivation stable, car cela était contraire aux connaissances scientifiques existantes sur la corrosion. Cependant, après la présentation d’un grand nombre de résultats expérimentaux à l’échelle atomique, ils ont finalement confirmé ce phénomène de passivation « contre-intuitif » basé sur le Mn.

Si ces matériaux fonctionnent comme prévu en dehors du laboratoire, l’impact économique pourrait être significatif. L'équipe de recherche a utilisé un système d'électrolyse PEM de 10 MW comme exemple pour estimer la structure des coûts : les matériaux de structure représentent une grande partie du coût total, environ 17,8 millions de dollars de Hong Kong, dont jusqu'à 53 % sont directement liés à ces composants. Sur cette base, l'équipe prédit que si le SS-H2 est utilisé pour remplacer les matériaux à base de titane existants, le coût des matériaux structurels devrait être réduit d'environ 40 fois, réduisant ainsi considérablement le coût global du système.

Ce travail reflète également les changements dans la conception des matériaux résistant à la corrosion. Huang Mingxin a souligné que la recherche traditionnelle sur la corrosion se concentre davantage sur les performances des matériaux au « potentiel naturel », alors que leur stratégie consiste à développer spécifiquement des alliages stables aux potentiels élevés. En repensant le système d'alliage pour former un nouveau mécanisme de protection lorsqu'il fonctionne à haut potentiel, l'équipe estime avoir dépassé la « limite supérieure de potentiel » de l'acier inoxydable traditionnel et fourni un nouveau paradigme pour le développement d'alliages destinés aux environnements à haut potentiel.

À l’heure actuelle, ces recherches ont dépassé le stade expérimental initial. Des brevets pertinents ont été déposés dans plusieurs pays, dont deux ont été accordés lors de l'annonce de l'étude. L'équipe de recherche a également commencé à travailler avec une usine en Chine continentale pour produire du fil SS-H2, bien que des développements techniques plus poussés et une optimisation des processus soient nécessaires pour en faire des structures en treillis ou en mousse adaptées aux électrolyseurs. Des problèmes tels que la corrosion, les réactions secondaires liées au chlore, la dégradation du catalyseur et la durée de vie limitée du système restent répandus dans le domaine de l'électrolyse de l'eau de mer, et de nombreuses recherches se sont concentrées sur l'ajout de revêtements ou de traitements de surface aux surfaces traditionnelles en acier inoxydable pour améliorer la durabilité.

Contrairement à ces voies, le SS-H2 part du matériau lui-même et permet au matériau de former « spontanément » une couche protectrice pendant le processus de travail en modifiant la composition de l'alliage et le comportement électrochimique, plutôt que d'ajouter des revêtements supplémentaires par la suite. Ce mécanisme de protection endogène pourrait être en mesure d’atteindre une durabilité élevée tout en prenant en compte le contrôle des coûts, donnant ainsi aux futurs dispositifs de production d’hydrogène par électrolyse de l’eau de mer une plus grande chance d’occuper une place dans un déploiement commercial à grande échelle. Cependant, les chercheurs ont également souligné que le matériau en est encore aux premiers stades d’industrialisation et que sa durée de vie à long terme et ses performances dans des conditions de fonctionnement réelles doivent encore être vérifiées. Cependant, cette orientation montre que la résolution des problèmes de coût et de durabilité de l’hydrogène vert peut également reposer sur la réimagination des « matériaux de base » plutôt que sur de simples améliorations au niveau de la conception du système.