香港大學（HKU）的不鏽鋼技術突破，可能為綠色氫能面臨的最大難題之一提供解決方案：如何製造出足夠堅固以應對海水環境，同時又足夠便宜以實現大規模清潔能源生產的電解槽。
由港大機械工程學系黃明鑫教授領導的團隊，開發了一種用於生產氫氣的特殊不鏽鋼（SS-H 2 ）。這種材料在通常會將不鏽鋼推向極限的條件下，仍能抵抗腐蝕，使其成為從海水及其他嚴苛電解槽環境中生產氫氣的潛在候選材料。
這項發表在《Materials Today》期刊上的研究，題為「用於設計用於水氧化以上的不鏽鋼的序貫雙鈍化策略」，是黃教授長期「超級鋼鐵計畫」的延伸。該研究計畫先前已於 2021 年生產出抗 COVID-19 的不鏽鋼，並於 2017 年和 2020 年開發出超強和超韌的超級鋼鐵。
走向綠色氫能的更便宜途徑
綠色氫能是利用電力（最好是來自再生能源的電力）將水分解成氫氣和氧氣而製成的。海水因其豐富的儲量而成為特別誘人的原料，但它帶來了一個嚴重的材料問題：鹽分、氯離子、副反應和腐蝕會迅速損壞電解槽組件。
近期對直接海水電解的審查，持續凸顯出相同的核心挑戰。這項技術可以提供更可持續的氫能生產途徑，但腐蝕、氯相關的副反應、催化劑降解、沉澱物以及有限的長期耐久性，仍然是商業化應用的主要障礙。
這正是 SS-H 2 可能發揮作用的地方。在鹽水電解槽中，港大團隊發現這種新型鋼材的性能，可與目前工業生產中用於從脫鹽海水或酸中生產氫氣的鈦基結構材料相媲美。不同之處在於成本。塗覆有金或鉑等貴金屬的鈦零件價格昂貴，而不鏽鋼則經濟得多。
根據港大報告當時的估計，一個 10 兆瓦的 PEM 電解槽系統的總成本約為 1780 萬港元，其中結構組件佔了高達 53% 的費用。根據團隊的估計，用 SS-H 2 取代這些昂貴的結構材料，可以將結構材料的成本降低約 40 倍。
不鏽鋼因其自我保護能力，已在腐蝕性環境中使用了百年以上。關鍵成分是鉻。當鉻（Cr）氧化時，會形成一層薄的鈍化膜，保護鋼材免受損壞。
但這種熟悉的保護系統有一個內在的上限。在傳統不鏽鋼中，基於鉻的保護層在高電位下會分解。穩定的 Cr 2 O 3 可能會進一步氧化成可溶性的 Cr(VI) 物種，導致在約 1000 mV（飽和甘汞電極，SCE）時發生超鈍態腐蝕。這遠低於水氧化所需的約 1600 mV。
即使是 254SMO 超級不鏽鋼，一種以在海水中具有強抗點蝕性而聞名的基準鉻基合金，也面臨著這種高電壓限制。它在普通海洋環境中可能表現良好，但氫氣生產的極端電化學環境是另一項挑戰。
打造第二層防護罩的鋼材
港大團隊的解決方案是一種稱為「序貫雙鈍化」的策略。SS-H 2 不僅依賴於通常的氧化鉻屏障，還形成第二層保護層。
第一層是熟悉的 Cr 2 O 3 基鈍化膜。然後，在約 720 mV 時，會在基於鉻的層之上形成一層基於錳的層。這第二層防護罩有助於保護鋼材在含氯環境中，承受高達 1700 mV 的超高電位。
這就是為何這項發現如此引人注目。錳通常不被認為是不鏽鋼耐腐蝕性的「朋友」。事實上，普遍的觀點認為錳會削弱其耐腐蝕性。
「起初我們不相信，因為普遍的觀點是錳會損害不鏽鋼的耐腐蝕性。錳基鈍化是一種違反直覺的發現，無法用現有的腐蝕科學知識來解釋。然而，當呈現了大量的原子級別結果後，我們確信了。除了驚訝之外，我們迫不及待地想探究其機制，」該文章的第一作者 Kaiping Yu 博士說，他的博士導師是黃教授。
從驚喜到應用，歷時六年
從最初的觀察到發表，這段歷程並不短。團隊花了近六年時間，從最初發現這種不尋常的不鏽鋼，到進行更深入的科學解釋，再到發表和潛在的工業應用。
「與目前主要關注自然電位下耐腐蝕性的腐蝕界不同，我們專門開發高電位抗性合金。我們的策略克服了傳統不鏽鋼的基本限制，並建立了一種適用於高電位的合金開發範例。這項突破令人興奮，並帶來了新的應用，」黃教授說。
這項工作也已超越實驗室。研究成果已在多個國家提交專利申請，並且在港大宣布時，已有兩項專利獲得授權。團隊還報告說，已與中國大陸的一家工廠合作生產了數噸 SS-H 2 基線材。
「從實驗材料到實際產品，例如用於水電解槽的網狀物和泡沫，仍然面臨挑戰。目前，我們在工業化方面已邁出了一大步。我們與中國大陸的一家工廠合作生產了數噸 SS-H 2 基線材。我們正朝著將更經濟的 SS-H 2 應用於再生能源生產氫氣的方向邁進，」黃教授補充道。
儘管 SS-H 2 的研究發表於 2023 年，但其核心問題變得越來越重要。較新的海水電解研究持續關注相同的瓶頸：耐腐蝕材料、持久的電極、氯抑制以及能夠在真實海水而非理想實驗室解決方案中生存的系統設計。2025 年《Nature Reviews Materials》的一篇評論將直接海水電解描述為有前景，但仍受腐蝕、副反應、金屬沉澱物和壽命有限的阻礙。
其他近期研究探索了基於不鏽鋼的電極，帶有保護性催化層，包括 NiFe 基塗層和 Pt 原子簇，以提高在天然海水中的耐久性。研究人員還報告了基於不鏽鋼基材的耐腐蝕陽極策略，表明不鏽鋼仍然是使海水電解更實用的主要關注點。
這些較新的研究並未取代 SS-H 2 的發現。相反，它們強化了港大團隊方法的重要性。該領域仍在尋找能夠承受鹽水化學、高電壓和工業操作要求的嚴酷組合的材料。SS-H 2 之所以脫穎而出，是因為它不僅通過塗層或催化劑來解決問題，而是通過一種新的合金設計策略，改變了不鏽鋼的自我保護方式。
具有清潔能源潛力的鋼鐵突破
SS-H 2 尚未成為氫能經濟的即插即用解決方案。團隊承認，將實驗材料轉化為實際的電解槽產品，包括網狀物和泡沫，仍然涉及艱鉅的工程工作。
即便如此，其潛力是顯而易見的。一種能夠承受高電壓海水條件，同時取代昂貴的鈦基組件的不鏽鋼，可以使氫氣生產更便宜、更具規模化，並更容易與再生能源結合。
對於成本和耐用性常常決定一項技術能否離開實驗室的領域來說，一種能夠自我構建第二層防護罩的鋼材，可能不僅僅是一個材料科學上的驚喜。它可能成為大規模工業化生產更清潔氫氣的實際一步。
