錆びやすくするはずのマンガンが盾に 海水から水素を作る装置用の新ステンレス

編集・パクト

香港大学の研究チームが、海水を電気分解して水素を作るための新しいステンレス鋼を発表した。

研究者自身が「今の腐食科学では説明できない」と語る現象で、電解槽の部材のコストを大きく下げられる可能性がある。

これまで常識とされてきた「マンガンは鋼を錆びやすくする」という前提を、真っ向からくつがえす発見だ。

なぜ普通のステンレスは「海水水素」で壊れるのか

クロム酸化膜という見えない盾

ステンレス鋼が錆びにくいのは、表面にクロム(Cr)が作る薄い保護膜のおかげだ。クロムが空気中の酸素と結びつくと、わずか数ナノメートルの酸化クロム(Cr₂O₃)の膜が金属を覆う。

この膜は傷ついてもすぐ自分で再生する。だからキッチンのシンクから橋梁、医療器具まで、ステンレスは100年以上にわたって「錆びない金属」として現代社会を支えてきた。

不働態膜と呼ばれるこの仕組みのおかげで、ステンレスは水道水や雨ぐらいなら何十年も平気で耐える。クロムが一定割合を超えれば「ステンレス」と呼べる、というのが冶金の教科書に書かれた基本だった。

裏を返せば、ステンレスの耐食性はこれまで「クロムがどれだけ良い膜を作るか」でほぼ語られてきた。今回の発見が常識破りなのは、そのクロム以外の元素が主役になった点にある。

1000mVの壁、水素生産には1600mVが要る

ところが海水を電気分解して水素を作ろうとすると、話が一気に変わる。水を酸素と水素に分解するには、飽和カロメル電極基準で約1600mVもの高い電圧がかかる。

普通のステンレスの保護膜は、その大きく手前である約1000mVで崩壊する。酸化クロムがさらに酸化されて、水に溶けてしまう6価クロム(Cr(VI))に変わるのだ。

これを過不働態腐食と呼ぶ。

塩素イオンを大量に含む海水では、劣化はさらに加速する。針で刺したような小さな穴が開く孔食(ピッティング腐食)も起きやすい。

これまで海洋環境用に磨かれてきた254SMOという超高級ステンレスでさえ、この電圧域では太刀打ちできなかった。

コストの壁を作るチタンと貴金属

チタンに頼らざるをえない現場

そのため、淡水化した海水や酸を電気分解して水素を作る今の装置では、金や白金をコーティングしたチタンが構造部品に使われている。

腐食には強いが、チタンそのものが高価なうえ、表面を金や白金でおおうため、コストが跳ね上がる。

香港大の試算によると、10メガワット級のPEM電解槽システムの総コストは約1780万香港ドル。そのうち構造部材だけで53%を占める。

常識に反したマンガン

常識に反する現象を追いかけた研究チーム

香港大学機械工学科のMingxin Huang教授が率いる「Super Steelプロジェクト」は、長年、極限環境で生き残るステンレスを追いかけてきた。

2017年と2020年には超高強度・超高靭性のSuper Steelを、2021年には新型コロナウイルス対策のステンレスを発表している。

そのチームのKaiping Yu博士(論文第一著者)は、奇妙な現象に気づく。マンガンを多めに含むある組成の合金が、本来なら絶対に耐えられないはずの高電圧でも腐食しなかったのだ。

「最初は信じなかった。マンガンはステンレスの耐食性を損なうというのが一般的な見方だったからだ。しかし、原子レベルの結果が数多く示され、納得した」とYu博士は振り返る。

最初の発見から、仕組みの解明、論文の発表、実用化の準備まで、チームは6年近くを費やした。

二段構えの盾が生まれるメカニズム

720mVから現れる第2のシールド

新合金SS-H₂の秘密は、逐次的二重不働態化(sequential dual-passivation)と呼ばれる戦略にある。

電圧を低い側から上げていくと、まず通常通り酸化クロムの第1層が現れる。この第1層は、一般的なステンレスが持つのと同じ、おなじみのクロム酸化膜だ。

そして電圧が約720mVに達したところで、その上にマンガン系の第2層がスッと立ち上がる。

面白いのは、この2層が一度に作られるのではなく、電圧の段階に応じて順番に育つ点にある。1層目が機能する電圧帯では1層目だけで守り、2層目の出番が来てから初めて新しい膜が組み上がる。

アトムプローブや高分解能の電子顕微鏡で観察された原子配列レベルのデータが、この「逐次型」の仕組みを裏付けた。

1700mVまで耐える二段構え

驚くべきはこの2層目の頑丈さだ。塩素イオンが暴れまわる環境でも、この二段構えのバリアは1700mVという超高電圧まで持ちこたえる。

水を分解するのに必要な1600mVを、余裕で上回る数字だ。

「マンガンによる不働態化は、現在の腐食科学では説明できない反直観的な発見です。早くこのメカニズムを応用したい」とYu博士は語る。

チタンを使わなくても、ステンレスのままで電解槽の心臓部を作れる目算が立ったことになる。

論文は2023年のMaterials Today誌(Vol.70)に「A sequential dual-passivation strategy for designing stainless steel used above water oxidation」というタイトルで掲載された。

Huang教授は「自然な電位での耐食性を主に扱う今の腐食研究とは違い、私たちは高い電位に耐える合金の開発を専門にしている。この戦略は従来のステンレスの根本的な限界を乗り越えた」と話す。

構造材料のコストは約40分の1に

チタンと貴金属を置き換える経済性

SS-H₂は塩水電解槽の中で、現行のチタン系構造材と同等の性能を出せることが確認されている。違いは値段だ。

香港大の試算では、SS-H₂で構造部材を置き換えると、構造材料のコストが約40分の1に下がるという。1780万香港ドルの電解槽のうち、半分以上を占めていた構造費が大幅に圧縮される計算だ。

ただし、下がるのは構造材料の費用で、電解槽全体や水素そのもののコストが40分の1になるわけではない。

量産に向けた最初の一歩

Huang教授によると、中国本土の工場と組んで、SS-H2のワイヤがすでにトン単位で作られている。

ただし教授自身、「実験用の材料から、電解槽用のメッシュやフォームといった実際の製品にするまでには、まだ難しい課題がある」と話す。

知的財産の面では、複数国で特許申請が行われ、うち2件はすでに登録済みだ。次の段階は、メッシュやフォーム(多孔体)といった、より複雑な形の部品を安定して作れるようにすることだ。

電気と水の通り道を確保するため、電解槽の内部では細かなスポンジ状の金属部品が大量に使われる。研究室の小さなサンプルを工業製品に育てる、地味だが重要な工程が、ようやく走り始めた段階といえる。

残された実用化の壁

もちろん、いきなり全ての電解槽がSS-H₂に置き換わるわけではない。長期耐久性の検証、塩素の副反応の制御、触媒層との相性など、越えるべき山はまだ多く残っている。

数分から数時間の実験で耐えることと、何年も現場で使い続けて耐えることのあいだには、大きな隔たりがあるからだ。