Исследование и применение технологии ультразвукового распыления при подготовке каталитической пленки

Ультразвуковое распыление, основанное на механизме прецизионного распыления с высокочастотной вибрацией, позволяет генерировать однородные микрокапли с низкой-кинетической-энергией, что позволяет контролируемо наносить ультратонкие, очень однородные слои катализатора с коэффициентом использования материала, превышающим 90 %. Эта технология постепенно переходит от лабораторных исследований к промышленному массовому производству в таких приложениях, как топливные элементы с протонообменной мембраной, электролиз воды для производства водорода, мембраны для катализаторов улавливания углерода, мембраны для фотокаталитического разделения и мембраны для катализаторов очистки газов. В этой статье освещаются основные принципы, технологические преимущества, основные сценарии применения, существующие технологические узкие места и будущие направления развития ультразвукового распыления для подготовки каталитических мембран, а также предоставляются ссылки на процессы для крупномасштабной подготовки высокоэффективных каталитических мембран.

1.Основные принципы и состав системы ультразвукового распыления для приготовления каталитической пленки

1.1 Механизм формирования пленки распыления

Ультразвуковая насадка оснащена пьезоэлектрическим керамическим преобразователем, преобразующим высокочастотные электрические сигналы (20–120 кГц) в высокочастотные механические вибрации. Эти колебания передаются пленке жидкости на торце сопла, возбуждая периодические капиллярные волны. Когда энергия вибрации превышает порог поверхностного натяжения жидкости, пленка жидкости разрушается и распадается на узко распределенные микрокапли размером 1–50 мкм. Небольшое количество газа-носителя с низким-давлением направленно ограничивает траекторию капель, позволяя каплям с низкой-кинетической{12}}энергией плавно оседать на подложках, таких как протонообменные мембраны, пористая керамика, копировальная бумага и мембраны для разделения полимеров. Послойное--растекание слоев и испарение растворителя затвердевают, образуя непрерывный и однородный каталитический слой. Весь процесс проводится без воздействия высокого-давления, что позволяет добиться «мягкого приземления пленки» и избежать деформации подложки, закупорки микропор и отходов отскока катализатора.

 

Процесс формирования пленки- позволяет точно контролировать толщину слоя катализатора, загрузку и пористость с помощью шести параметров: скорости потока суспензии, частоты ультразвука, скорости движения сопла, температуры нагрева подложки, количества слоев покрытия и расстояния между распылениями. Это позволяет получать наноразмерные ультратонкие пленки катализатора и создавать многослойные слои катализатора с градиентной пористой структурой.

 

1.2 Состав системы Полная линия ультразвукового распыления каталитических пленок включает в себя: ультразвуковые распылительные форсунки, высокоточные-микро-насосы для подачи жидкости, трехосную подвижную платформу XYZ, рабочий стол с подогревом при постоянной температуре, герметичную камеру для удаления пыли, модуль регулирования давления источника газа, систему управления с замкнутым-контуром ПЛК и устройство регенерации растворителя. Лабораторная модель представляет собой настольное небольшое-устройство, а линия массового производства может быть оснащена несколькими-множествами сопел и валковыми--структурами непрерывного покрытия, подходящими для любых задач: от прототипирования небольших образцов до непрерывного-производства валков большой площади.

 

2. Преимущества ультразвукового распыления для подготовки каталитических мембран.

2.1 Превосходная однородность каталитического слоя и значительно улучшенное использование активного сайта

Ультразвуковое распыление создает капли с узким распределением частиц по размерам, эффективно подавляя осаждение и агломерацию наночастиц катализатора, а также эффект кофейного кольца. Отклонение толщины каталитического слоя можно контролировать в пределах ±5%, что обеспечивает высокую стабильность загрузки катализатора на единицу площади. Полное воздействие активных компонентов создает непрерывную и беспрепятственную границу раздела фаз газо-жидкость-твёрдое тело-реакции, значительно снижая перенапряжение электрокаталитической реакции. Каталитическая активность увеличивается на 10–20 % при том же количестве драгоценных металлов, что делает его особенно подходящим для изготовления каталитических мембран со сверх-низким содержанием платины и сверх-низким содержанием иридия.

 

2.2 Чрезвычайно высокое использование материалов из драгоценных металлов, снижение производственных затрат

Традиционное пневматическое распыление приводит к серьезным потерям из-за избыточного распыления, что приводит к значительным потерям суспензий драгоценных металлов, таких как платина, иридий и рутений. Ультразвуковое распыление демонстрирует сильные характеристики направленного осаждения, обеспечивая коэффициент использования материала, превышающий 90%. По сравнению с традиционными процессами он позволяет сэкономить более 30% расходных материалов из драгоценных металлов, что значительно снижает ценовое давление, вызванное нехваткой металлов платиновой группы. Это ключевой путь к снижению затрат при коммерциализации мембранных электродов с низкой-нагрузкой. 2.3. Мягкое осаждение защищает хрупкие подложки, адаптируется к нескольким мембранным подложкам.

 

Низкая скорость капель и низкая кинетическая энергия удара предотвращают возникновение в процессе распыления набухания и перфорации протонообменных мембран, коллапса микропор пористых керамических мембран или деформационного повреждения мембран для разделения полимеров. Его можно наносить как на одинарные, так и на двойные стороны гибких пленок, таких как протонообменные мембраны Nafion и анионообменные мембраны, а также можно использовать для приготовления каталитических слоев на пористых подложках неправильной формы, таких как копировальная бумага, никелевая пена, сотовая керамика, ультрафильтрационные мембраны из ПВДФ и пористые носители на основе титана-, демонстрируя чрезвычайно прочную совместимость с подложками.

 

2.4 Высокая управляемость процесса, адаптируемость к градиентным структурам и заказные ультратонкие композитные каталитические мембраны

Посредством сегментированного распыления с переменными параметрами можно получить градиентные каталитические мембраны с различной пористостью в поверхностных и внутренних слоях, оптимизируя массоперенос реагентов и возможности десорбции газа. Толщину одного слоя мембраны можно точно контролировать от сотен нанометров до нескольких микрометров. Много-попеременное напыление позволяет создавать двух-функциональные композитные каталитические покрытия, отвечающие требованиям структурного проектирования для различных сценариев, таких как электролиз, фотокатализ и мембранное разделение. Процесс имеет хорошую повторяемость и высокую стабильность при массовом производстве.

 

2.5 Экологичность и низкий-загрязнение окружающей среды. Никакого высокого-давления и большого-расхода сжатого воздуха не требуется, что приводит к снижению испарения органических растворителей. Сопутствующая система регенерации растворителя позволяет перерабатывать суспензию по замкнутому-циклу, а выбросы отходящих газов и отработанной жидкости меньше, чем при традиционных процессах распыления, что соответствует экологическим стандартам производства новых химических материалов.

 

Ультразвуковое распыление с его основными преимуществами, заключающимися в равномерном формировании пленки, высоком использовании материала, отсутствии повреждения подложки и точном контроле толщины, преодолевает присущие дефекты традиционных процессов подготовки каталитических мембран. Он идеально соответствует основным требованиям, предъявляемым к высокоэффективным каталитическим мембранам с точки зрения микроструктуры, точности загрузки и контроля затрат, и в настоящее время стал основной технологией подготовки электрокаталитических мембранных электродов для водородной энергетики. Он также быстро проникает в каталитические мембранные области конверсии углерода, очистки воды, очистки отходящих газов и нового хранения энергии. С развитием индустриализации оборудования и стандартизацией технологических систем ультразвуковое распыление неизбежно приведет к тому, что различные каталитические мембранные материалы от лабораторных исследований перейдут к недорогому-крупномасштабному-коммерческому массовому производству, обеспечивая ключевую поддержку процесса для высококачественного-развития новой энергетики и индустрии экологического катализа в рамках двойной-углеродной цели.