توری استیل 304 در قلب فناوری هیدروژن؛ آیا میتوان از یک توری ساده برای الکترولیز آب دریا استفاده کرد؟
وقتی صحبت از توری استیل 304 میشود، معمولاً ذهن ما به سمت کاربردهایی مانند فیلتراسیون، صنایع غذایی، تجهیزات صنعتی یا ساخت قطعات مقاوم در برابر خوردگی میرود.
اما یک پژوهش منتشرشده در Journal of Environmental Chemical Engineering، کاربردی کاملاً متفاوت و پیشرفته برای این ماده بررسی کرده است:
استفاده از توری استیل 304 بهعنوان الکترود در الکترولیز آب دریا و واکنش تولید اکسیژن (OER).
این پژوهش توسط Xiang Lyu و همکاران انجام شده و در سال 2023 منتشر شده است. پژوهش در Oak Ridge National Laboratory آمریکا انجام شده و تحت حمایت کنسرسیوم H2NEW وزارت انرژی آمریکا قرار داشته است.
ایده اصلی آزمایش چیست؟
الکترولیز آب یکی از فناوریهای مهم برای تولید هیدروژن است.
در یک الکترولایزر، با اعمال انرژی الکتریکی، مولکول آب به هیدروژن و اکسیژن تجزیه میشود:
2H₂O → 2H₂ + O₂
اگر برق مورد نیاز از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی یا باد تأمین شود، میتوان از این فرآیند برای تولید هیدروژن سبز استفاده کرد.
اما استفاده از آب دریا یک مشکل مهم ایجاد میکند:
آب دریا فقط آب خالص نیست؛ مقدار قابل توجهی یون کلرید (Cl⁻) دارد.
این یونها میتوانند در کنار واکنش مطلوب تولید اکسیژن، وارد واکنشهای ناخواسته تولید گونههای کلردار شوند و همچنین خوردگی الکترود را افزایش دهند.
بنابراین، انتخاب جنس الکترود در الکترولیز آب دریا یک مسئله بسیار مهم مهندسی است.
چرا توری استیل 304؟
پژوهشگران در این مطالعه دو نوع توری فولاد زنگنزن را بررسی کردند:
Stainless Steel 304
Stainless Steel 316
هدف این بود که مشخص شود آیا این توریهای تجاری و نسبتاً ارزان میتوانند مستقیماً بهعنوان بستر الکترود برای واکنش تکامل اکسیژن یا OER استفاده شوند یا خیر.
ساختار توری یک مزیت مهم دارد.
برخلاف یک صفحه صاف، توری دارای شبکهای از سیمها و منافذ است که میتواند سطح تماس مؤثر فلز با الکترولیت را افزایش دهد و عبور الکترولیت و حبابهای گاز را تسهیل کند.
بنابراین، در اینجا توری صرفاً یک قطعه مکانیکی نیست؛ بلکه تبدیل به یک بستر الکتروشیمیایی فعال میشود.
آزمایش چگونه انجام شد؟
پژوهشگران توریهای 304 و 316 را در آب دریای طبیعی بهعنوان الکترود آزمایش کردند.
سه محیط اصلی مورد بررسی قرار گرفت:
1. آب دریای طبیعی
pH تقریباً:
8.5
2. آب دریای طبیعی + 0.1 M NaOH
pH تقریباً:
12.8
3. آب دریای طبیعی + 1 M NaOH
pH تقریباً:
13.7
این مقایسه اهمیت زیادی دارد، زیرا رفتار فولاد زنگنزن فقط به جنس آن وابسته نیست؛ بلکه شیمی محیط الکترولیت نیز نقش تعیینکنندهای دارد.
مشکل توری 304 در آب دریا
نتایج آزمایش نشان دادند که توری 304 در آب دریای طبیعی و همچنین محیط با قلیائیت پایین، پایداری مناسبی در برابر خوردگی ندارد.
دو پدیده در اینجا اهمیت دارند:
1. انحلال مستقیم فلز
بخشی از فلز الکترود میتواند وارد محیط الکترولیت شود.
2. واکنش تکامل کلر یا CER
یونهای کلرید موجود در آب دریا میتوانند در شرایط الکتروشیمیایی وارد واکنش شوند و گونههای کلردار تولید کنند.
این مسئله هم از نظر دوام الکترود و هم از نظر انتخابپذیری فرآیند نامطلوب است.
در این شرایط، توری 316 عملکرد بهتری نسبت به 304 نشان داد.
یکی از دلایل اصلی این تفاوت، وجود مقدار بیشتری مولیبدن (Mo) در فولاد 316 است که به مقاومت خوردگی آن، بهخصوص در محیطهای حاوی کلرید، کمک میکند.
اما اتفاق جالب در محیط بسیار قلیایی رخ داد
پژوهشگران محیطی با:
1 M NaOH
و pH حدود:
13.7
را نیز بررسی کردند.
در این شرایط، رفتار توری 304 بسیار جالب شد.
در محیط بسیار قلیایی، واکنش مطلوب OER نسبت به واکنش تکامل کلر و انحلال فلز غالبتر شد.
در نتیجه، عملکرد الکتروشیمیایی توری 304 به توری 316 نزدیک شد.
این نتیجه از نظر مهندسی بسیار مهم است:
عملکرد یک ماده الکترودی را نمیتوان فقط با نام فولاد یا گرید آن ارزیابی کرد؛ شرایط عملیاتی میتواند رفتار الکتروشیمیایی و خوردگی آن را بهشدت تغییر دهد.
عملکرد الکتروشیمیایی توری 304 چقدر بود؟
در محیط آب دریای بسیار قلیایی با 1 M NaOH، پژوهشگران برای توریهای 304 و 316 مقدار اضافهپتانسیل حدود:
430 mV در چگالی جریان 10 mA/cm²
گزارش کردند.
همچنین شیب تافل برای این توریها کمتر از:
50 mV/dec
بود.
دو پارامتر فوق برای ارزیابی فعالیت الکتروکاتالیستی بسیار مهم هستند.
اضافهپتانسیل چیست؟
برای انجام واکنش الکتروشیمیایی، ولتاژ تئوری همیشه کافی نیست. در عمل باید ولتاژ بیشتری اعمال شود.
این اختلاف را میتوان بهصورت ساده Overpotential یا اضافهپتانسیل در نظر گرفت.
هرچه برای رسیدن به یک چگالی جریان مشخص، اضافهپتانسیل کمتر باشد، از نظر سینتیک واکنش، عملکرد الکترود مطلوبتر است.
شیب تافل چیست؟
شیب تافل رابطه بین پتانسیل اضافی و چگالی جریان را توصیف میکند و اطلاعاتی درباره سینتیک واکنش الکتروشیمیایی میدهد.
بنابراین مقدار کمتر آن، در شرایط قابل مقایسه، میتواند نشاندهنده سینتیک مطلوبتر واکنش باشد.
چرا این نتیجه برای توری استیل 304 مهم است؟
نکته مهم این پژوهش این نیست که:
«توری 304 بهترین الکترود برای آب دریاست.»
نتیجه علمی بسیار دقیقتر است.
توری 304 در آب دریای خنثی و قلیایی ضعیف، از نظر خوردگی مشکل دارد و 316 عملکرد بهتری نشان میدهد.
اما در شرایط بسیار قلیایی، عملکرد 304 و 316 میتواند به یکدیگر نزدیک شود.
این موضوع مسیر جالبی را برای طراحی الکترولایزرهای ارزانتر باز میکند.
اگر بتوان شرایط عملیاتی را بهگونهای طراحی کرد که واکنش OER غالب باشد و واکنشهای ناخواسته کلرید و انحلال فلز سرکوب شوند، یک توری فولاد زنگنزن تجاری میتواند بهعنوان بستر الکترودی کمهزینه مورد بررسی قرار گیرد.
نقش توری در نسل آینده الکترولایزرها
تصور کنید یک توری فلزی سهبعدی در داخل یک سلول الکترولیز قرار گرفته است.
آب دریا از میان شبکه عبور میکند.
در سطح فلز، واکنشهای الکتروشیمیایی اتفاق میافتند.
حبابهای گاز تشکیل میشوند و از سطح الکترود جدا میشوند.
اگر طراحی الکترود، ترکیب آلیاژ، هندسه توری، اندازه مش، ضخامت سیم، زبری سطح و شرایط الکترولیت بهینه شوند، میتوان یک قطعه نسبتاً ساده را به بخشی از یک سامانه پیچیده تولید هیدروژن تبدیل کرد.
این دقیقاً همان جایی است که مهندسی مواد، الکتروشیمی و انرژی هیدروژنی به یکدیگر میرسند.
یک نکته مهم درباره آینده این فناوری
پژوهشگران همچنین اشاره میکنند که مقاومت خوردگی 304 میتواند با افزایش مقدار مولیبدن بهبود پیدا کند.
این موضوع میتواند ایدهای برای نسل بعدی الکترودهای فولاد زنگنزن ایجاد کند:
توری فلزی → اصلاح ترکیب آلیاژی → افزایش مقاومت خوردگی → کنترل واکنش کلرید → افزایش دوام الکترود
در واقع، هدف صرفاً ساخت یک توری مقاوم نیست؛ بلکه میتوان به سمت طراحی توریهای مهندسیشده برای الکتروشیمی حرکت کرد.
جمعبندی
این آزمایش یک پیام مهم برای صنعت توریهای فلزی دارد:
توری استیل 304 فقط یک محصول برای فیلتراسیون یا جداسازی مکانیکی نیست.
در شرایط مناسب میتواند بهعنوان یک بستر الکترودی در فناوری الکترولیز آب دریا مورد استفاده و مطالعه قرار گیرد.
با این حال، 304 در آب دریای خنثی و قلیایی ضعیف در برابر خوردگی ضعیفتر از 316 است. در محیط بسیار قلیایی با 1 M NaOH و pH حدود 13.7، عملکرد الکتروشیمیایی دو توری به یکدیگر نزدیک شد و هر دو در چگالی جریان 10 mA/cm² حدود 430 mV اضافهپتانسیل نشان دادند.
بنابراین، ارزش واقعی این پژوهش در یک نکته خلاصه میشود:
در فناوریهای پیشرفته، یک توری استیل معمولی میتواند با تغییر محیط عملیاتی و مهندسی سطح و ترکیب آن، از یک قطعه مکانیکی ساده به یک جزء عملکردی در سامانه تولید هیدروژن تبدیل شود.
البته این نتایج آزمایشگاهی بهتنهایی به معنی آمادهبودن توری 304 برای استفاده صنعتی مستقیم در الکترولایزر آب دریا نیست؛ دوام بلندمدت، خوردگی، انتخابپذیری، چگالی جریانهای صنعتی و طراحی سلول باید جداگانه بررسی شوند.
منبع اصلی
Lyu, X.; Bai, Y.; Li, J.; Tao, R.; Yang, J.; Serov, A. (2023).
Investigation of oxygen evolution reaction with 316 and 304 stainless-steel mesh electrodes in natural seawater electrolysis.
Journal of Environmental Chemical Engineering, 11(3), 109667.
DOI: 10.1016/j.jece.2023.109667
منبع رسمی پژوهش: Oak Ridge National Laboratory (ORNL)
مقاله ناشر: ScienceDirect / Elsevier
