Acier révolutionnaire SS-H2 : les scientifiques dévoilent un mystère inexpliqué

Patrick Lesggie

Des scientifiques ont développé un acier inoxydable révolutionnaire pour la production d’hydrogène, le SS-H2, qui offre une résistance à la corrosion supérieure et un meilleur rapport coût-efficacité par rapport au titane. Cette innovation pourrait considérablement réduire les coûts des matériaux dans les électrolyseurs d’eau, ouvrant la voie à une production d’hydrogène plus abordable à partir de sources renouvelables. Ci-dessus se trouve le nouvel acier inoxydable pour l’hydrogène développé par l’équipe. Crédit : Université de Hong Kong

Une équipe dirigée par le professeur Mingxin Huang du département de génie mécanique de l’Université de Hong Kong a réalisé une avancée significative dans le domaine de l’acier inoxydable. Cette récente innovation se concentre sur le développement d’un acier inoxydable conçu pour des applications liées à l’hydrogène, connu sous le nom de SS-H2.

Cet exploit fait partie du projet « Super Steel » du professeur Huang, qui a déjà atteint des étapes notables avec la création d’un acier inoxydable anti-COVID-19 en 2021 et le développement d’un Super Steel ultra-résistant et ultra-résilient en 2017 et 2020.

Le nouvel acier développé par l’équipe présente une haute résistance à la corrosion, ce qui lui permet d’être potentiellement utilisé pour la production d’hydrogène vert à partir d’eau de mer, où une nouvelle solution durable est encore en cours de développement.

Les performances du nouvel acier dans l’électrolyseur d’eau de mer sont comparables à la pratique industrielle actuelle utilisant le titane comme parties structurelles pour produire de l’hydrogène à partir d’eau de mer dessalée ou d’acide, tandis que le coût du nouvel acier est bien moins élevé.

La découverte a été publiée dans la revue Materials Today. Les réalisations de recherche font actuellement l’objet de dépôts de brevets dans plusieurs pays, et deux d’entre eux ont déjà reçu une autorisation.

Révolution de la résistance à la corrosion

Depuis sa découverte il y a un siècle, l’acier inoxydable a toujours été un matériau important largement utilisé dans des environnements corrosifs. Le chrome est un élément essentiel pour établir la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable. Un film passif se forme par l’oxydation du chrome (Cr) et protège l’acier inoxydable dans les environnements naturels. Malheureusement, ce mécanisme de passivation unique conventionnel basé sur le Cr a bloqué toute avancée supplémentaire de l’acier inoxydable. En raison de l’oxydation supplémentaire du Cr2O3 stable en espèces solubles de Cr(VI), la corrosion transpassive se produit inévitablement dans l’acier inoxydable conventionnel à ~1000 mV (électrode au calomel saturée, SCE), ce qui est inférieur au potentiel requis pour l’oxydation de l’eau à ~1600 mV.

Mingxin Huang et Kaiping Yu

Professeur Mingxin Huang et Dr. Kaiping Yu. Crédit : Université de Hong Kong

Le super acier inoxydable 254SMO, par exemple, est un point de référence parmi les alliages anti-corrosion à base de Cr et offre une résistance supérieure à la corrosion par piqûres dans l’eau de mer ; cependant, la corrosion transpassive limite son application à des potentiels plus élevés.

En utilisant une stratégie de « double passivation séquentielle », l’équipe de recherche du professeur Huang a développé le nouvel acier SS-H2 avec une résistance à la corrosion supérieure. En plus de la couche passive à base de Cr2O3 unique, une couche secondaire à base de Mn se forme sur la couche à base de Cr précédente à ~720 mV. Le mécanisme de double passivation séquentielle empêche la corrosion du SS-H2 dans les milieux chlorés à un potentiel ultra-élevé de 1700 mV. Le SS-H2 représente une percée fondamentale par rapport à l’acier inoxydable conventionnel.

Découverte inattendue et applications potentielles

« Au départ, nous n’y croyions pas car l’opinion dominante est que le Mn altère la résistance à la corrosion de l’acier inoxydable. La passivation à base de Mn est une découverte contre-intuitive, qui ne peut pas s’expliquer par les connaissances actuelles en science de la corrosion. Cependant, lorsque de nombreux résultats au niveau atomique ont été présentés, nous avons été convaincus. Au-delà de la surprise, nous avons hâte d’exploiter le mécanisme », a déclaré le Dr. Kaiping Yu, le premier auteur de l’article, dont le doctorat est supervisé par le professeur Huang.

Depuis la découverte initiale de l’acier inoxydable innovant jusqu’à une avancée dans la compréhension scientifique, et enfin en préparant la publication officielle et espérant sa future application industrielle, l’équipe a consacré près de six ans à ce travail.

« Contrairement à la communauté actuelle de la corrosion, qui se concentre principalement sur la résistance aux potentiels naturels, nous nous spécialisons dans le développement d’alliages résistants à des potentiels élevés. Notre stratégie a surmonté la limitation fondamentale de l’acier inoxydable conventionnel et a établi un paradigme pour le développement d’alliages applicable à des potentiels élevés. Cette percée est passionnante et ouvre de nouvelles applications », a déclaré le professeur Huang.

Actuellement, pour les électrolyseurs d’eau dans de l’eau de mer dessalée ou des solutions acides, des pièces structurelles coûteuses en or ou en platine recouvert de titane sont nécessaires. Par exemple, le coût total d’un système de réservoir d’électrolyse PEM de 10 mégawatts à son stade actuel est d’environ 17,8 millions de dollars de Hong Kong, les composants structurels contribuant jusqu’à 53% des dépenses totales. La percée réalisée par l’équipe du professeur Huang rend possible de remplacer ces composants structurels coûteux par de l’acier plus économique. Comme estimé, l’utilisation de SS-H2 devrait permettre de réduire le coût des matériaux structuraux d’environ 40 fois, démontrant un grand potentiel d’applications industrielles.

« De la fabrication de matériaux expérimentaux à de vrais produits, tels que des treillis et des mousses, pour les électrolyseurs d’eau, il reste encore des défis à relever. Actuellement, nous avons franchi une grande étape vers l’industrialisation. Des tonnes de fil à base de SS-H2 ont été produites en collaboration avec une usine du continent. Nous avançons dans l’application du plus économique SS-H2 dans la production d’hydrogène à partir de sources renouvelables », a ajouté le professeur Huang.

Référence : « A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation » par Kaiping Yu, Shihui Feng, Chao Ding, Meng Gu, Peng Yu et Mingxin Huang, 19 août 2023, Materials Today.
DOI: 10.1016/j.mattod.2023.07.022