Výskum a aplikácia technológie ultrazvukového rozprašovania pri príprave katalytického filmu

Ultrazvukové rozprašovanie, ktoré sa opiera o vysoko-precízny mechanizmus rozprašovania vibráciami, môže generovať rovnomerné mikrokvapôčky s nízkou -kinetickou{2}}energiou, čo umožňuje kontrolovateľné nanášanie ultratenkých, vysoko konzistentných vrstiev katalyzátora s mierou využitia materiálu presahujúcou 90 %. Táto technológia postupne prechádza od laboratórneho výskumu k priemyselnej hromadnej výrobe v aplikáciách, ako sú palivové články s protónovou výmennou membránou, elektrolýza vody na výrobu vodíka, membrány katalyzátora na zachytávanie uhlíka, fotokatalytické separačné membrány a membrány katalyzátora na čistenie plynov. Tento článok objasňuje základné princípy, technologické výhody, hlavné aplikačné scenáre, existujúce technologické prekážky a smery budúceho vývoja ultrazvukového rozprašovania na prípravu membrány katalyzátora a poskytuje referenčný proces pre-prípravu vysokovýkonných{7}}katalyzátorových membrán vo veľkom meradle.

1.Základné princípy a zloženie systému ultrazvukového rozprašovania na prípravu katalytického filmu

1.1 Mechanizmus tvorby atomizačného filmu

Ultrazvuková dýza obsahuje piezoelektrický keramický menič, ktorý konvertuje vysoko-elektrické signály (20~120 kHz) na vysokofrekvenčné-mechanické vibrácie. Tieto vibrácie sa prenášajú do tekutého filmu na čelnej strane dýzy, čím sa vzrušujú periodické kapilárne vlny. Keď energia vibrácií prekročí prah povrchového napätia kvapaliny, tekutý film sa rozpadne a rozptýli sa na úzko rozmiestnené mikro-kvapôčky s veľkosťou 1~50 μm. Malé množstvo-nosného plynu s nízkym tlakom smerovo obmedzuje trajektóriu kvapôčok a umožňuje kvapôčkam s nízkou -kinetickou{12}}energiou hladko sa usadiť na substrátoch, ako sú protónové výmenné membrány, porézna keramika, uhlíkový papier a membrány na separáciu polymérov. Nanášanie vrstvy-po{15}}vrstve a odparovanie rozpúšťadla tuhne a vytvára súvislú a jednotnú katalytickú vrstvu. Celý proces prebieha bez vplyvu vysokého-tlaku, čím sa dosiahne „vytvorenie mäkkého pristávacieho filmu“ a zabráni sa deformácii substrátu, upchávaniu mikropórov a odpadu pri odraze katalyzátora.

 

Proces vytvárania filmu-umožňuje presnú kontrolu hrúbky vrstvy katalyzátora, zaťaženia a pórovitosti prostredníctvom šiestich parametrov: prietok suspenzie, ultrazvuková frekvencia, rýchlosť pohybu dýzy, teplota ohrevu substrátu, počet vrstiev povlaku a vzdialenosť striekania. To umožňuje prípravu ultratenkých katalyzátorových filmov v nanoúrovni a konštrukciu viacvrstvových vrstiev katalyzátora s gradientnou pórovou štruktúrou.

 

1.2 Zloženie systému Kompletná výrobná linka na výrobu katalyzátorových filmov ultrazvukovým nástrekom zahŕňa: ultrazvukové rozprašovacie dýzy, vysoko presné mikro{2}}čerpadlá na prívod kvapalín, trojosovú pohybovú platformu XYZ, pracovný stôl s konštantnou teplotou, utesnenú komoru na odstraňovanie prachu, modul na reguláciu tlaku zdroja plynu, PLC s uzavretým-systémom na reguláciu rozpúšťadla. Laboratórny model je malé-zariadenie pre stolné počítače, zatiaľ čo linka na hromadnú výrobu môže byť konfigurovaná s viacerými-polami trysiek a valcovaním{8}}na-valcovanie súvislých povlakových štruktúr, ktoré sú vhodné pre všetko od prototypovania malých vzoriek až po veľkoplošnú{10}}výrobu súvislých roliek.

 

2. Výhody ultrazvukového rozprašovania na prípravu katalytickej membrány

2.1 Vynikajúca uniformita katalytickej vrstvy a výrazne lepšie využitie aktívneho miesta

Ultrazvuková atomizácia vytvára kvapôčky s úzkou distribúciou veľkosti častíc, čím sa účinne potláča sedimentácia a aglomerácia nanočastíc katalyzátora, ako aj efekt kávového prstenca. Odchýlka hrúbky katalytickej vrstvy môže byť riadená v rozmedzí ± 5 %, čo vedie k vysokej konzistencii zaťaženia katalyzátora na jednotku plochy. Úplné vystavenie aktívnych komponentov vytvára súvislé a ničím nerušené rozhranie plyn-kvapalina-tuhá trojfázová reakcia-, čím sa výrazne znižuje nadmerný potenciál elektrokatalytickej reakcie. Katalytická aktivita je zvýšená o 10%~20% s rovnakým množstvom drahých kovov, vďaka čomu je obzvlášť vhodná na prípravu katalytických membrán s ultra-nízkym obsahom platiny a ultra{10}}irídia.

 

2.2 Extrémne vysoké využitie materiálov z drahých kovov, zníženie výrobných nákladov

Pri tradičnom pneumatickom striekaní dochádza k vážnym stratám pri prestreku, čo vedie k značnému plytvaniu kalmi drahých kovov, ako je platina, irídium a ruténium. Ultrazvukové striekanie vykazuje silné smerové charakteristiky depozície, čím sa dosahuje miera využitia materiálu presahujúca 90 %. V porovnaní s tradičnými procesmi dokáže ušetriť viac ako 30 % spotrebného materiálu z drahých kovov, čím výrazne znižuje tlak na náklady spôsobený nedostatkom kovov platinovej skupiny. Toto je kľúčová cesta k zníženiu nákladov pri komercializácii nízko{5}}membránových elektród. 2.3 Mierne ukladanie chráni krehké substráty, prispôsobiteľné viacmembránovým substrátom

 

Nízka rýchlosť kvapôčok a nízka kinetická energia nárazu zabraňujú tomu, aby proces striekania spôsobil napučiavanie a perforáciu membrán na výmenu protónov, kolaps mikropórov poréznych keramických membrán alebo deformačné poškodenie membrán na separáciu polymérov. Môže byť nanesený na jednostranné aj dvojité strany flexibilných fólií, ako sú Nafion protónomeničové membrány a aniónomeničové membrány, a môže sa použiť aj na prípravu katalytických vrstiev na nepravidelne tvarovaných a poréznych substrátoch, ako je uhlíkový papier, niklová pena, voštinová keramika, PVDF ultrafiltračné membrány a porézne podklady na báze titánu{1}}, čo demonštruje extrémne pevné substráty.

 

2.4 Vysoká procesná kontrolovateľnosť, prispôsobivá na gradientové štruktúry a prispôsobené ultratenké kompozitné katalytické membrány

Prostredníctvom segmentovaného striekania s premenlivými parametrami možno pripraviť gradientové katalytické membrány s rôznymi pórovitosťami v povrchovej a vnútornej vrstve, čím sa optimalizuje prenos hmoty reaktantov a schopnosti desorpcie plynu. Hrúbku jedinej membránovej vrstvy možno presne kontrolovať od stoviek nanometrov po niekoľko mikrometrov. Viac{2}}vrstvové striedavé striekanie môže vytvoriť dvojité-funkčné kompozitné katalytické povlaky, ktoré spĺňajú konštrukčné požiadavky viacerých scenárov, ako je elektrolýza, fotokatalýza a membránová separácia. Proces má dobrú opakovateľnosť a silnú stabilitu v hromadnej výrobe.

 

2.5 Ekologická a šetrná k životnému prostrediu-znečistenie. Nie je potrebný žiadny vysoký-tlak a vysoký{4}}prietok stlačeného vzduchu, čo vedie k nižšiemu odparovaniu organického rozpúšťadla. Sprievodný systém regenerácie rozpúšťadla umožňuje uzavretý{6}}cyklus recyklácie kalu a emisie odpadových plynov a odpadových kvapalín sú nižšie ako pri tradičných procesoch rozprašovania, ktoré spĺňajú ekologické výrobné normy pre nové chemické materiály.

 

Ultrazvukové rozprašovanie so svojimi základnými výhodami rovnomerného vytvárania filmu, vysokého využitia materiálu, bez poškodenia substrátu a precíznej kontroly hrúbky prekonáva prirodzené defekty tradičných procesov prípravy katalytických membrán. Dokonale spĺňa základné požiadavky vysokovýkonných katalytických membrán na mikroštruktúru, presnosť plnenia a kontrolu nákladov a teraz sa stala hlavnou technológiou prípravy elektrokatalytických membránových elektród s vodíkovou energiou. Rýchlo tiež preniká do katalytických membránových polí konverzie uhlíka, úpravy vody, čistenia odpadových plynov a skladovania novej energie. S dozrievaním industrializácie zariadení a štandardizáciou procesných systémov ultrazvukové rozprašovanie nevyhnutne posunie rôzne katalytické membránové materiály od laboratórneho výskumu k nízkonákladovej, veľkorozmernej{5}}komerčnej hromadnej výrobe, čím poskytne kľúčovú podporu procesu pre vysokokvalitný vývoj nového odvetvia energetiky a environmentálnej katalýzy v rámci dvojitých-uhlíkových cieľov.