"无法解释"——新型超不锈钢令研究人员震惊

# “无法解释”——新型超级不锈钢令研究人员震惊 来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/05/260510030950.htm 香港大学（HKU）取得的一项不锈钢突破，有望解决绿色氢能面临的最大难题之一：如何制造出既足够坚固以耐受海水环境，又足够低廉以支持大规模清洁能源生产的电解槽。 由香港大学机械工程学系黄明欣教授领导的团队研发了一种用于氢气生产的特殊不锈钢（SS-H2）。这种材料能够在通常使不锈钢超出极限的条件下抵抗腐蚀，使其成为从海水及其他恶劣电解槽环境中生产氢气的理想候选材料。 这项发现发表在《Materials Today》期刊的研究论文“用于水氧化电位以上不锈钢设计的顺序双重钝化策略”中，该研究建立在黄教授长期推进的“超级钢”项目基础之上。同一研究项目此前曾在2021年研发出抗新冠病毒不锈钢，并在2017年和2020年开发出超高强度和高韧性的超级钢。 **通向绿色氢能的更廉价路径** 绿色氢能是通过电力（最好来自可再生能源）将水分解为氢气和氧气制成的。海水是一种特别诱人的原料，因为它资源丰富，但带来了严重的材料问题：盐分、氯离子、副反应和腐蚀会迅速损坏电解槽组件。 近期关于直接海水电解的综述继续强调同样的核心挑战。该技术可能为制氢提供更可持续的途径，但腐蚀、与氯相关的副反应、催化剂降解、沉淀物以及有限的长期耐久性仍然是商业化应用的主要障碍。 这就是SS-H2可能发挥作用的地方。在盐水电解槽中，香港大学团队发现，这种新钢材在性能上可与当前工业实践中用于脱盐水或酸性环境下制氢的钛基结构材料相媲美。区别在于成本。涂覆金或铂等贵金属的钛部件价格昂贵，而不锈钢则经济得多。 对于一个10兆瓦的质子交换膜（PEM）电解槽系统，在香港大学报告发布时，总成本估计约为1780万港元，其中结构组件占该费用的比例高达53%。根据团队的估算，用SS-H2替换这些昂贵的结构材料，可将结构材料的成本降低约40倍。 **为何普通不锈钢会失效** 不锈钢在腐蚀性环境中已使用了超过一个世纪，因为它具有自我保护能力。关键成分是铬。当铬（Cr）氧化时，会形成一层薄薄的钝化膜，保护钢材免受损坏。 但这种熟悉的保护系统存在固有的上限。在传统不锈钢中，基于铬的保护层在高电势下会分解。稳定的Cr2O3可进一步氧化成可溶性的Cr(VI)物种，导致在约~1000 mV（饱和甘汞电极，SCE）时发生过钝化腐蚀。这远低于水氧化所需的~1600 mV。 即使是254SMO超级不锈钢——这种以在海水中具有强点蚀抵抗力而闻名的基准铬基合金——也会遇到这个高电压限制。它可能在普通海洋环境中表现良好，但氢气生产中的极端电化学环境则是一个不同的挑战。 **构建第二道防护盾的钢材** 香港大学团队的解决方案是一种称为“顺序双重钝化”的策略。SS-H2不仅仅依赖通常的氧化铬屏障，还会形成第二层保护膜。 第一层是熟悉的基于Cr2O3的钝化膜。然后，在约~720 mV时，一层基于锰的层会在基于铬的层之上形成。这第二道防护盾有助于保护钢材在含氯环境中承受高达1700 mV的超高电势。 这正是使这一发现如此引人注目的原因。锰通常不被视为不锈钢耐腐蚀性的朋友。事实上，主流观点一直认为锰会削弱耐腐蚀性。 “起初，我们并不相信这一点，因为主流观点是锰会损害不锈钢的耐腐蚀性。基于锰的钝化是一个违反直觉的发现，无法用当前的腐蚀科学知识来解释。然而，当呈现出大量的原子级结果时，我们信服了。除了感到惊讶之外，我们迫不及待地想要利用这一机制。”该文章的第一作者、黄教授指导的博士生虞凯平博士说道。 **从惊喜到应用的六年攻坚** 从首次观察到发表的过程并不迅速。团队花了近六年时间，从最初发现这种特殊的不锈钢，到深入的科学解释，再到发表和潜在的工业应用。 “与目前主要关注自然电位下电阻的腐蚀学界不同，我们专门致力于开发耐高电位合金。我们的策略克服了传统不锈钢的根本局限性，并建立了适用于高电位的合金开发范式。这一突破令人振奋，并带来了新的应用。”黄教授说道。 这项工作也已走出实验室。研究成果已在多个国家提交专利申请，在香港大学宣布时，已有两项专利获得授权。团队还报告称，已与大陆的一家工厂合作生产了数吨基于SS-H2的线材。 “从实验材料到真实产品（如用于水电解槽的网和泡沫），仍面临艰巨的任务。目前，我们在工业化方面迈出了一大步。我们与大陆的一家工厂合作生产了数吨基于SS-H2的线材。我们正在推进将更具经济性的SS-H2应用于可再生能源制氢。”黄教授补充道。 **时机为何仍然重要** 虽然SS-H2研究发表于2023年，但其核心问题的重要性日益凸显。新的海水电解研究继续关注同样的瓶颈：耐腐蚀材料、长效电极、抑氯以及能够承受真实海水而非理想实验室溶液的系统设计。2025年《Nature Reviews Materials》的一篇综述（https://www.nature.com/articles/s41578-025-00826-x）将直接海水电解描述为前景广阔，但仍受限于腐蚀、副反应、金属沉淀物和有限的使用寿命。 其他近期工作（https://www.nature.com/articles/s41467-025-67439-4）探讨了具有保护性催化层的不锈钢基电极，包括基于NiFe的涂层和Pt原子团簇，以提高在天然海水中的耐久性。研究人员还报道了建立在不锈钢基板上的耐腐蚀阳极策略，表明不锈钢仍然是使海水电解更具实用性的努力中的主要焦点。 这些新研究并未取代SS-H2的发现。相反，它们强化了为何香港大学团队的方法至关重要。该领域仍在寻找能够承受盐水化学、高电压和工业运营需求这一严酷组合的材料。SS-H2之所以脱颖而出，是因为它不仅通过涂层或催化剂来解决问题，而是通过改变不锈钢自我保护方式的新合金设计策略来解决问题。 **具有清洁能源潜力的钢材突破** SS-H2尚不是氢能经济的即插即用解决方案。团队承认，将实验材料转化为真实的电解槽产品（包括网和泡沫）仍然涉及困难的工程工作。 即便如此，前景依然清晰。一种能够承受高电压海水环境同时替代昂贵钛基组件的不锈钢，可以使氢气生产更便宜、更具可扩展性，并更容易与可再生能源结合。 对于一个成本和耐久性往往决定技术能否走出实验室的领域，一种能构建自身第二道防护盾的钢材可能不仅仅是一个材料科学的惊喜。它可能成为迈向工业规模清洁氢气的一个实际步骤。