SS-H2 Paslanmaz Çelik ile Yeşil Hidrojen Üretimi Nedir?

Korozyon ders kitaplarına göre böyle bir çeliğin var olmaması gerekirdi. Oysa SS-H2 paslanmaz çelik ile yeşil hidrojen üretimi fikri, tam da ders kitaplarının “olamaz” dediği yerden doğdu: tuzlu suyun metali kemirdiği, elektriğin metali çözündürdüğü bir ortamda ucuz bir alaşım ayakta kalmayı başardı.

Hong Kong Üniversitesi’nin (HKU) Süper Çelik ekibi, hidrojen elektrolizörlerinde kullanılan altın ya da platin kaplı titanyumun yerini alabilecek bir paslanmaz çelik geliştirdi. Bu içeriğimizde SS-H2’nin ne olduğunu, korozyona hangi mekanizmayla direndiğini ve temiz enerji ekonomisi için neden önemli olabileceğini sizler için inceledik.

SS-H2 Paslanmaz Çelik Nedir?

SS-H2, adını İngilizce “stainless steel for hydrogen” (hidrojen için paslanmaz çelik) ifadesinden alan yeni bir paslanmaz çelik sınıfıdır. Malzeme, HKU Makine Mühendisliği Bölümü’nden Prof. Mingxin Huang’ın yürüttüğü Süper Çelik (Super Steel) projesi kapsamında geliştirildi. Çalışmanın ilk yazarı Dr. Kaiping Yu’dur ve sonuçlar Materials Today dergisinde 2023 yılında yayımlandı.

Malzemenin farkını tek cümleyle özetleyebiliriz: sıradan paslanmaz çeliğin çözünmeye başladığı elektrik potansiyellerinin çok ötesinde, klorür (tuz) yüklü ortamlarda bile yüzeyini koruyabiliyor. Sıradan paslanmaz çelik yaklaşık 1000 mV’ta koruyucu tabakasını yitirirken, SS-H2 1700 mV’a kadar dayanıklılığını sürdürüyor. (Yazıdaki tüm mV değerleri, ölçümde referans alınan doymuş kalomel elektroda (SCE) göre verilmiştir.)

Bu rakamların anlamı, suyu parçalamak için gereken eşikten geliyor. Suyun yükseltgenmesi (oksitlenmesi) yaklaşık 1600 mV gerektirir. Yani klasik paslanmaz çelik, hidrojenin üretildiği hücrenin içinde zaten hayatta kalamaz.

Yeşil Hidrojen Üretiminde Asıl Sorun Neydi?

Yeşil hidrojen, yenilenebilir elektrikle suyun hidrojen ve oksijene ayrıştırılmasıyla, yani elektrolizle elde edilen hidrojendir. Üretiminde karbon salımı olmadığı için çelik, gübre ve denizcilik gibi elektrifikasyonu zor sektörlerin temiz yakıt umudu sayılıyor. Benzer bir mantığın taşınabilir yakıt tarafındaki karşılığını daha önce iklim dostu yakıt yeşil amonyak yazımızda ele almıştık.

Asıl sorun kimyada değil, faturada. Tatlı su kaynakları sınırlı olduğu için gözler denizlere çevrildi; ne var ki deniz suyundaki klorür iyonları metalleri hızla aşındırıyor. Elektroliz hücresine yüksek gerilim uygulandığında bu aşınma daha da şiddetleniyor.

Bugün endüstride, tuzu alınmış deniz suyu veya asidik çözeltilerle çalışan elektrolizörlerin yapısal parçalarında altın ya da platin kaplı titanyum kullanılıyor. HKU’nun verilerine göre bu yapısal bileşenler, 10 megavatlık bir PEM (proton değişim membranlı) elektroliz sisteminin yaklaşık 17,8 milyon Hong Kong doları tutan maliyetinin %53’üne kadarını oluşturabiliyor.

Yani hidrojenin pahalı olmasının sebebi yalnızca elektrik değil, hücrenin kendisi. Titanyumun üzerine bir de değerli maden sınıfına giren altın veya platin kaplaması bindiğinde, ölçek büyüdükçe maliyet katlanarak artıyor.

Ardışık Çift Pasivasyon Nasıl Çalışır?

Deniz suyu elektrolizinde korozyona dayanıklı çelik arayışı onlarca yıldır sürüyordu ve çözüm hep yeni bir kaplamada aranıyordu. SS-H2’nin sırrı ise egzotik bir katkı maddesi değil, koruyucu katmanların sırası. Araştırmacılar bu yaklaşımı “ardışık çift pasivasyon” (sequential dual-passivation) olarak adlandırıyor.

Pasivasyon Nedir?

Pasivasyon, metalin yüzeyinde kendiliğinden oluşan ince bir oksit filminin metali korumasıdır. Paslanmaz çelikte bu görevi krom oksit (Cr₂O₃) tabakası üstlenir; kalınlığı birkaç nanometredir ama altındaki metali çözünmekten alıkoyar.

Ne var ki bu tek katman sonsuza kadar dayanmaz. Potansiyel yükseldiğinde krom oksit film kararlılığını kaybeder ve çelik “transpasif” bölgeye, yani hızlı çözünme rejimine geçer. Sıradan paslanmaz çelikte bu sınır yaklaşık 1000 mV’tur.

Manganezin Beklenmedik Rolü

HKU ekibinin bulduğu şey, ilk katman zayıflamaya başladığında devreye giren ikinci bir kalkandı. Yaklaşık 720 mV’ta çelik yüzeyinde manganez (Mn) temelli yeni bir koruyucu katman oluşuyor ve koruma görevini devralıyor.

Bu sonuç metalurji açısından şaşırtıcıdır, çünkü manganezin paslanmaz çeliğin korozyon direncini düşürdüğü kabul edilir. Dr. Kaiping Yu bunu şöyle özetliyor: “Mn temelli pasivasyon, korozyon biliminin bugünkü bilgisiyle açıklanamayan, sezgiye aykırı bir keşif.”

Ekip sonuca inanmakta zorlandığını, bu yüzden mekanizmayı atom ölçeğinde doğrulamak için yıllar harcadığını belirtiyor. Keşiften yayına uzanan süreç yaklaşık altı yıl sürdü ve bulgular Materials Today dergisindeki makalede yayımlandı.

HKU’nun paylaştığı resmi tanıtım videosunda, SS-H2 elektrotların tuzlu su içinde hidrojen üretirken nasıl davrandığını izleyebilirsiniz.

SS-H2 ile Titanyum Arasındaki Fark Nedir?

Karşılaştırma yaparken iki ölçüt öne çıkıyor: malzemenin dayandığı en yüksek potansiyel ve maliyeti. Aşağıdaki tabloda, HKU’nun açıkladığı verilerle temel seçenekleri özetledik.

HKU’nun hesabına göre elektrolizörde titanyum yerine paslanmaz çelik kullanımı, yapısal malzeme maliyetini yaklaşık 40 kat aşağı çekebilir. Bu, hidrojenin kilogram başına fiyatını tek başına sıfırlayan bir sihir değil. Ancak PEM elektrolizör yapısal malzeme maliyeti sistemin yarısından fazlasını oluşturduğu için, bu kalemi küçültmek yeşil hidrojeni fosil alternatiflerine yaklaştıran en somut kaldıraçlardan biri.

Süper Çelik Projesinin Önceki Nesilleri Nelerdi?

SS-H2 bir anda ortaya çıkmadı. Hong Kong Üniversitesi Süper Çelik projesinin yaklaşık on yıla yayılan bir çelik tasarımı geleneği var ve her nesil, çeliğin “imkânsız” sayılan bir sınırını hedef aldı.

• 2017 – Ultra güçlü çelik: Deforme edilmiş ve bölünmüş (D&P) çelik, 2 GPa civarındaki akma dayanımına rağmen sünekliğini korudu. Ham madde maliyeti, havacılıkta kullanılan çeliğin yaklaşık beşte biriydi ve sonuçlar Science dergisinde yayımlandı.
• 2020 – Ultra tok çelik: Ekip, aynı çelikte kırılma tokluğunu 102 MPa·m^1/2 seviyesine taşıdı; mevcut yüksek dayanımlı çeliklerde bu değer yaklaşık 65 MPa·m^1/2 düzeyindeydi. Düzgün uzama ise %19 ölçüldü.
• 2021 – Patojene dirençli çelik: Yüksek bakır (Cu) içerikli paslanmaz çelik, yüzeyindeki SARS-CoV-2, H1N1 ve E. coli‘yi etkisiz hale getirdi. Asansör düğmesi ve kapı kolu gibi temas yüzeyleri için geliştirildi.
• 2023 – SS-H2: Bu kez hedef mekanik dayanım değil, kimyasal dayanıklılıktı; ardışık çift pasivasyonla korozyon sınırı 1700 mV’a taşındı.

Bu çizgi, malzeme biliminin yönünü de gösteriyor: yeni bir element aramak yerine, bilinen elementlerin mikro yapısını yeniden tasarlamak. Aynı tasarım mantığını farklı alanlarda da görüyoruz; örneğin ısıyı ışık gibi yönlendiren termal metamateryaller de yapı tasarımıyla elde edilen özellikler üzerine kurulu.

SS-H2 Paslanmaz Çelik ile Yeşil Hidrojen Üretimi Ne Zaman Yaygınlaşır?

Laboratuvar başarısı ile ticari ürün arasındaki mesafe genellikle uzundur, ancak SS-H2 bu yolun bir bölümünü aşmış durumda. Ekip, Çin anakarasındaki bir fabrikayla iş birliği yaparak tonlarca SS-H2 teli üretti.

Sıradaki adım, malzemeyi elektrolizörlerde kullanılan ağ (mesh) ve köpük yapılara dönüştürmek. Bu bileşenler tel üretiminden farklı bir mühendislik gerektiriyor; asıl ticarileşme testi de burada verilecek.

Fikri mülkiyet tarafında ise birden çok ülkede patent başvurusu yapıldı ve bunlardan ikisi tescillendi. HKU’nun Kasım 2023’te paylaştığı son duruma göre proje, prototip geliştirme ve sanayi ortaklığı aşamasında; bu yazının hazırlandığı Ağustos 2026 itibarıyla kamuya açık yeni bir ticarileşme güncellemesi bulunmuyor. Malzemenin ticari elektrolizörlerde uzun süreli dayanıklılığı da sahadaki verilerle netleşecek.

Kısacası SS-H2 bugün bir vaat, yarın bir standart olabilir. Ayrıntılar için HKU’nun konuya ilişkin resmi basın açıklamasını inceleyebilirsiniz.

Sonuç

SS-H2 paslanmaz çelik ile yeşil hidrojen üretimi, temiz enerjinin çoğu zaman gözden kaçan bir gerçeğini hatırlatıyor: dönüşümü yavaşlatan şey çoğu kez fizik değil, malzeme faturasıdır. Manganezin sezgiye aykırı rolü sayesinde, ucuz bir alaşım pahalı bir metalin işini üstlenebilir hale geldi.

Elbette tek bir malzeme hidrojen ekonomisini tek başına kurmaz. Yine de elektrolizörün en pahalı kaleminde 40 kata varan bir tasarruf ihtimali, deniz suyundan hidrojen üretimini bugünkünden çok daha gerçekçi kılıyor.

Eğer bu tarz içerikler ilginizi çekiyorsa, sitemizde yer alan “Çelikten Güçlü ve Esnek Alaşım Nasıl Çalışır?” adlı yazımıza da göz atabilirsiniz.