PEM电解水制氢钛基阳极板多层复合涂层 - 涂层制备工艺

PEM电解水制氢钛基阳极板多层复合涂层

钛金属因其轻质与耐腐蚀性能，成为PEM电解槽阳极板的优选材料。然而，在高电位（＞1.8 V，相对于标准氢电极）和强酸性环境（pH=1~3）中，其表面易形成导电性较差的钝化膜（如二氧化钛），造成界面电阻升高和析氧反应（OER）效率降低。传统钛阳极在动态工况下的稳定性较差，因此亟须开发兼具高导电性、优良耐蚀性及高催化活性的表面涂层。

为适应PEM电解水制氢技术对阳极板性能的更高要求，防止绝缘氧化膜生成导致导电性能衰退，研究并设计多层复合涂层体系显得尤为关键。本文系统介绍了碳/钛碳化合物/钛复合涂层、铌钛氮氮化物涂层，以及铂/钽钛金属涂层的结构设计、性能表现与作用机理。实验证明，经优化的多层涂层可显著提升钛基阳极板的综合性能。

一、涂层设计的关键性能要求

1. 高导电性
涂层应提供低电阻电子传输通道，目标电阻率低于10⁻⁴ Ω·cm。通过引入高导电材料（如非晶碳、碳化钛等）及梯度结构设计，有效降低界面接触电阻。

2. 优良耐蚀性
涂层需在强酸（pH=1~3）、高电位（1.8~2.0 V）环境下有效阻隔氯离子和氢离子侵蚀，防止基体腐蚀与钝化膜破坏。

3. 高催化活性
涂层应能降低析氧反应能垒，提高制氢效率。常见催化组分包括贵金属氧化物（如氧化铱）和过渡金属化合物（如五氧化二铌）。

二、涂层材料与结构设计

1. 碳/钛碳/钛复合涂层
该结构外层为高sp²杂化比例的非晶碳，中间层为碳化钛网络，内层为钛结合层。非晶碳提供良好电子传输能力（电导率可达10⁴ S/m），碳化钛增强层间结合。实验显示，该涂层在低电位（＜1.2 V）表现出优异的导电与耐腐蚀性能：界面电阻在1.4 MPa下仅为1.66 mΩ·cm²，导电性能提升93%，并在高温酸性模拟环境中自腐蚀电位显著正移。

2. 铌钛氮氮化物涂层
通过引入铌和氮元素，形成致密五氧化二铌钝化膜，有效抑制基底溶解。在波动电压测试中，该涂层表现出良好的动态响应和稳定的界面电阻。

3. 铂/钽钛金属涂层
经材料基因工程筛选，铂与钽表现出优异的导电与耐蚀协同效应。外层铂涂层显著改善疏水性与导电性（接触角达120.7°，界面电阻仅1.09 mΩ·cm²），内层钽钛结构抑制晶粒生长并阻隔介质渗透，显著增强耐蚀性与电化学稳定性。该涂层还展现出良好的析氧反应催化性能，适用于风光发电等波动性输入场景。

三、涂层制备工艺

1. 多弧离子镀技术
在特定腔体压力和温度下，通过钛靶与石墨靶交替溅射，可实现致密多层结构涂层的制备。

2. 磁控溅射沉积
利用物理气相沉积（PVD）方法，可实现纳米晶涂层的高均匀性制备，涂层厚度控制在微米级别，性能优于传统热分解工艺。

3. 超声波涂布工艺
该工艺利用高频振动实现涂层材料的均匀分散与涂覆，可有效改善涂层一致性、结合力和表面平整度，尤其适用于多层复合结构的大面积制备。

四、性能评估与机理分析

– 导电性能：碳/钛碳/钛涂层电阻率显著降低，较基材提升两个数量级；铂/钽钛涂层则表现出良好的催化动力学特性。
– 耐腐蚀性能：在高温强碱环境中，所有涂层均表现出极低的腐蚀电流与高阻抗值。
– 失效机制：高电位下未涂层钛易发生溶解，而如五氧化二钽等涂层能有效抑制离子扩散，延长使用寿命。

五、未来发展方向

-推进非贵金属催化材料（如高熵合金氧化物、钙钛矿型化合物）的开发与应用；
-发展具备自修复功能的智能涂层，以应对复杂动态工况；
-加强界面结合工程研究，如采用激光表面处理以提升涂层与基体的结合强度。

结语

通过理论设计与实验验证，所述多层复合涂层体系显著提高了钛基阳极板在PEM电解水环境中的导电、耐蚀与催化性能。今后应进一步关注成本控制与长效稳定性研究，推动制氢技术走向大规模商业化应用。

驰飞超声波的燃料电池催化剂涂覆系统可制备高度均匀、重复性佳且经久耐用的涂层，因此对这类高难度应用场景适配性极强。从研发阶段到量产环节，其防堵塞技术能精准调控涂层属性，显著减少材料消耗，同时降低维护成本与停机时长。

在燃料电池及电解过程中，驰飞超声波喷涂系统可向全氟磺酸树脂膜（Nafion）等质子交换膜（PEM）电解器涂覆高耐用性、高均匀度的碳基催化剂墨水涂层，且不会造成膜体变形。均匀的催化剂涂层能沉积于质子交换膜燃料电池、气体扩散层（GDLs）、电极、各类电解质膜及固体氧化物燃料电池表面，所用悬浮液涵盖炭黑墨水、聚四氟乙烯（PTFE）黏合剂、陶瓷浆料、铂及其他贵金属。

此外，超声波喷涂技术还能用于喷涂含铂、镍、铱、钌基等金属合金的金属氧化物悬浮液，以此制造质子交换膜燃料电池、聚合物电解质膜（PEM）电解器、直接甲醇燃料电池（DMFCs）和固体氧化物燃料电池（SOFCs），进而实现负载最大化与电池高效能。全球多家大型燃料电池制造商均在采用超声波喷嘴喷涂均匀的催化剂墨水薄膜层。催化剂溶液不会造成超声波喷嘴堵塞，因而能形成均匀均质的燃料电池催化剂涂层，且在超低流量至生产规模流量范围内，均可实现液滴大小的精准控制。另外，驰飞超声波喷嘴十分适合将聚四氟乙烯等聚合物溶液喷涂到气体扩散层，以增强电解过程中的亲水或疏水性能。