Ein Team der Universität Hongkong (HKU) hat einen neuen rostfreien Stahl entwickelt, der eine grundlegende Schwäche herkömmlicher Edelstähle überwindet – und die Kosten der grünen Wasserstoffproduktion drastisch senken könnte.
Der von Professor Mingxin Huang geleitete Werkstoff namens SS-H2 (stainless steel for hydrogen) widersteht starker Korrosion unter Bedingungen, denen normaler Edelstahl nicht standhält. In einem Salzwasser-Elektrolyseur lieferte der neue Stahl eine mit Titan-Bauteilen vergleichbare Leistung – zu einem Bruchteil der Kosten. Die Forscher schätzen, dass der Einsatz des Materials die Materialkosten für Strukturteile um etwa das 40-Fache senken könnte. Die Studie wurde in Materials Today veröffentlicht; Patente sind in mehreren Ländern angemeldet, zwei bereits erteilt.
Warum ist das wichtig? Grüner Wasserstoff entsteht durch Elektrolyse, bei der Strom Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff spaltet. Die Anlagen müssen extremen chemischen und elektrischen Bedingungen standhalten – vor allem in Verbindung mit Salz. Titan, das heute oft eingesetzt wird, ist teuer in Gewinnung, Verarbeitung und Bearbeitung.
Herkömmlicher Edelstahl scheitert an einer physikalischen Grenze: Die schützende Chromoxidschicht (Cr2O3) kann bei etwa 1000 mV weiteroxidiert werden und in transpassive Korrosion übergehen. Die Wasseroxidation – die zentrale Reaktion der Elektrolyse – benötigt jedoch ein deutlich höheres Potenzial von rund 1600 mV. Huangs Gruppe fand einen Ausweg mit einer "sequenziellen Doppelpassivierung": SS-H2 bildet auf der Chromoxidschicht eine zweite, manganbasierte Schutzschicht ab etwa 720 mV. Beide Schichten zusammen halten Chlorid-Umgebungen bis 1700 mV stand.
Besonders bemerkenswert ist die Rolle des Mangans – ein Element, das in der Korrosionswissenschaft bislang als schädlich für die Beständigkeit von Edelstahl galt. "Zunächst glaubten wir es nicht, denn die vorherrschende Ansicht ist, dass Mn die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl beeinträchtigt. Die Mn-basierte Passivierung ist eine kontraintuitive Entdeckung, die mit dem aktuellen Stand der Korrosionswissenschaft nicht erklärt werden kann", sagt Erstautor Dr. Kaiping Yu. "Als jedoch zahlreiche Ergebnisse auf atomarer Ebene vorlagen, waren wir überzeugt. Neben der Überraschung können wir es kaum erwarten, den Mechanismus nutzbar zu machen."
Das Projekt dauerte fast sechs Jahre. Nun beginnt der Weg in die Industrie: In Zusammenarbeit mit einer Fabrik auf dem Festland wurden bereits Tonnen SS-H2-Draht produziert. "Von experimentellen Materialien zu echten Produkten wie Gittern und Schäumen für Wasserelektrolyseure gibt es noch anspruchsvolle Aufgaben. Aktuell haben wir einen großen Schritt zur Industrialisierung gemacht", sagt Huang. Ein 10-Megawatt-PEM-Elektrolysesystem kostet heute rund 17,8 Millionen Hongkong-Dollar, wobei Strukturteile bis zu 53 Prozent der Kosten ausmachen können – genau dort könnte SS-H2 den größten Hebel bieten.
