Forskning og anvendelse af ultralydsforstøvningssprøjteteknologi i katalytisk filmforberedelse

Ultralydsforstøvning, der er afhængig af den højfrekvente vibrationspræcisionsforstøvningsmekanisme, kan generere ensartede,-kinetiske-mikrodråber med lav energi, hvilket muliggør kontrollerbar aflejring af ultratynde, meget konsistente katalysatorlag med en materialeudnyttelsesgrad på over 90 %. Denne teknologi skifter gradvist fra laboratorieforskning til industriel masseproduktion i applikationer som protonudvekslingsmembranbrændselsceller, vandelektrolyse til brintproduktion, kulstoffangstkatalysatormembraner, fotokatalytiske separationsmembraner og gasrensningskatalysatormembraner. Denne artikel belyser de grundlæggende principper, teknologiske fordele, almindelige applikationsscenarier, eksisterende teknologiske flaskehalse og fremtidige udviklingsretninger for ultralydsforstøvningssprøjtning til katalysatormembranforberedelse, hvilket giver en procesreference for stor-fremstilling af højtydende katalysatormembraner.

1.Grundlæggende principper og systemsammensætning af ultralydsforstøvningssprøjtning til katalytisk filmforberedelse

1.1 Forstøvningsfilmdannelsesmekanisme

Ultralydsdysen inkorporerer en piezoelektrisk keramisk transducer, der konverterer højfrekvente elektriske signaler (20~120kHz) til-højfrekvente mekaniske vibrationer. Disse vibrationer overføres til væskefilmen ved dysens endeflade, hvilket stimulerer periodiske kapillarbølger. Når vibrationsenergien overstiger væskeoverfladespændingstærsklen, nedbrydes væskefilmen og spredes i snævert fordelte mikro-dråber på 1~50μm. En lille mængde-lavtryksbærergas begrænser dråbebanen retningsmæssigt, hvilket tillader de lav-kinetiske-dråber at sætte sig jævnt på substrater såsom protonudvekslingsmembraner, porøs keramik, carbonpapir og polymerseparationsmembraner. Lag-for-spredning og opløsningsmiddelfordampning størkner og danner et kontinuerligt og ensartet katalytisk lag. Hele processen udføres uden{17}}højtrykspåvirkning, hvilket opnår "blød landingsfilmdannelse" og undgår substratdeformation, mikroporeblokering og katalysatoraffald.

 

Filmdannende-proces giver mulighed for præcis kontrol af katalysatorlagets tykkelse, belastning og porøsitet gennem seks parametre: gyllestrømningshastighed, ultralydsfrekvens, dysebevægelseshastighed, substratopvarmningstemperatur, antal belægningslag og sprayafstand. Dette muliggør fremstilling af ultratynde katalysatorfilm i nanoskala og konstruktion af katalysatorlag med flere-lag med gradientporestruktur.

 

1.2 Systemsammensætning En komplet ultralydssprøjteproduktionslinje til katalysatorfilm inkluderer: ultralydsforstøvningsdyser, høj-præcisionsmikro-væskeforsyningspumper, XYZ tre- bevægelsesplatform, konstant temperatur opvarmningsbord, forseglet støvfjernelseskammer, gaskilde trykreguleringsmodul{4}, lukket gaskildetrykreguleringsmodul,{4} PLC. Laboratoriemodellen er en stationær enhed i lille-skala, mens masseproduktionslinjen kan konfigureres med multi-dysearrays og rulle-til-kontinuerlige belægningsstrukturer, velegnet til alt fra små prøveprototyper til stor-kontinuerlig rulleproduktion.

 

2. Fordele ved ultralydsforstøvningssprøjtning til katalytisk membranforberedelse

2.1 Fremragende katalytisk lagens ensartethed og væsentligt forbedret aktiv webstedsudnyttelse

Ultralydsforstøvning producerer dråber med snæver partikelstørrelsesfordeling, hvilket effektivt undertrykker katalysatornanopartikelsedimentering og agglomeration samt kafferingeffekten. Katalytisk lagtykkelsesafvigelse kan kontrolleres inden for ±5 %, hvilket resulterer i høj konsistens af katalysatorbelastning pr. arealenhed. Fuld eksponering af aktive komponenter skaber en kontinuerlig og uhindret gas-flydende-fast trefaset reaktionsgrænseflade, hvilket signifikant reducerer overpotentialet for den elektrokatalytiske reaktion. Katalytisk aktivitet øges med 10 %~20 % med den samme mængde ædelmetaller, hvilket gør den særligt velegnet til fremstilling af katalytiske membraner med ultra-lav platin- og ultra-lav iridiumbelastning.

 

2.2 Ekstremt høj udnyttelse af ædelmetalmaterialer, hvilket reducerer produktionsomkostningerne

Traditionel pneumatisk sprøjtning lider af alvorlige overspraytab, hvilket resulterer i betydeligt spild af ædelmetalopslæmninger såsom platin, iridium og ruthenium. Ultralydssprøjtning udviser stærke retningsbestemte aflejringsegenskaber, hvilket opnår en materialeudnyttelsesgrad på over 90%. Sammenlignet med traditionelle processer kan det spare mere end 30 % af ædelmetalforbrugsvarer, hvilket i væsentlig grad mindsker omkostningspresset forårsaget af knapheden på platingruppemetaller. Dette er en nøglevej til omkostningsreduktion i kommercialiseringen af ​​lav-belastende membranelektroder. 2.3 Mild aflejring beskytter skrøbelige substrater, kan tilpasses til flere membransubstrater

 

Den lave dråbehastighed og lave kinetiske energi forhindrer sprøjteprocessen i at forårsage kvældning og perforering af protonudvekslingsmembraner, mikroporekollaps af porøse keramiske membraner eller deformationsskader på polymerseparationsmembraner. Det kan belægges på både enkelt- og dobbeltsider af fleksible film såsom Nafion protonbyttermembraner og anionbyttermembraner og kan også bruges til at fremstille katalytiske lag på uregelmæssigt formede og porøse substrater såsom carbonpapir, nikkelskum, honeycomb keramik, PVDF ultrafiltreringsmembraner, og titaniumbaserede, ekstremt stærke{1}understøttede{baserede{1} substrater kompatibilitet.

 

2.4 Høj proceskontrollerbarhed, tilpasningsbar til gradientstrukturer og tilpassede ultratynde sammensatte katalytiske membraner

Gennem segmenteret variabel parametersprøjtning kan gradient katalytiske membraner med forskellige porøsiteter i overfladen og de indre lag fremstilles, hvilket optimerer reaktantmasseoverførsel og gasdesorptionsevne. Tykkelsen af ​​et enkelt membranlag kan styres præcist fra hundredvis af nanometer til flere mikrometer. Vekselsprøjtning med flere-lag kan konstruere dobbelte-funktionelle, sammensatte katalytiske belægninger, der opfylder de strukturelle designkrav i flere scenarier såsom elektrolyse, fotokatalyse og membranseparation. Processen har god repeterbarhed og stærk stabilitet i masseproduktion.

 

2.5 Grøn og lav-forurening, miljøvenlig drift. Der kræves ikke høj-tryk, høj-trykluft, hvilket resulterer i lavere fordampning af organisk opløsningsmiddel. Det medfølgende system til genvinding af opløsningsmidler muliggør genanvendelse af gyllen i lukket-kredsløb, og emissionerne af spildgas og spildvæske er mindre end ved traditionelle sprøjteprocesser, som opfylder de grønne produktionsstandarder for nye kemiske materialer.

 

Ultralydsforstøvningssprøjtning overvinder de iboende defekter ved traditionelle katalytiske membranfremstillingsprocesser med sine kernefordele ved ensartet filmdannelse, høj materialeudnyttelse, ingen substratskader og præcis tykkelseskontrol. Den opfylder perfekt kernekravene til højtydende katalytiske membraner til mikrostruktur, belastningsnøjagtighed og omkostningskontrol og er nu blevet den almindelige forberedelsesteknologi til elektrokatalytiske membranelektroder med brintenergi. Det trænger også hurtigt ind i de katalytiske membranfelter for kulstofomdannelse, vandbehandling, affaldsgasbehandling og ny energilagring. Med modningen af ​​udstyrsindustrialisering og standardisering af processystemer vil ultralydsforstøvning uundgåeligt drive forskellige katalytiske membranmaterialer fra laboratorieforskning til lav-pris, stor- kommerciel masseproduktion, hvilket giver nøgleprocesstøtte til høj-kvalitetsudviklingen af ​​den nye energi- og miljøkatalyseindustri under de dobbelte mål{7}}kulstofmål{7}}.