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幹法膜電極•☁:列印奈米催化劑₪╃☁▩,制氫成本大幅降低

 釋出時間•☁:2022-11-16 點選量•☁:156

奈米粉末製備工藝的侷限——繁瑣₪╃☁▩,昂貴₪╃☁▩,以及失活

研究中₪╃☁▩,大家普遍比較關注材料最終的效能以及其對應的製備方法₪╃☁▩,但卻容易忽略具體使用場景│╃。比如電解水制氫和燃料電池₪╃☁▩,奈米催化劑(鉑族)需要沉積在膜材料表面製成膜電極(CCM)│╃。這一過程異常繁瑣₪╃☁▩,一般會分為幾個主要步驟•☁:
 

  • 奈米材料的製備(收集粉末)

  • 將催化劑粉末做成漿料

  • 活性組分塗布₪╃☁▩,乾燥

  • 組裝成為膜電極

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膜電極製備工藝繁瑣不連續

由於奈米催化劑製備基本採用溼化學方法進行₪╃☁▩,產物一般為奈米材料粉末或分散液的形式₪╃☁▩,因此後續的漿料製備以及塗布工藝是非連續的│╃。根據統計₪╃☁▩,催化劑在膜電極中的成本的佔比高達 38%│╃。而奈米粉末在儲存過程中易團聚失活₪╃☁▩,造成催化劑壽命降低₪╃☁▩,產品的制氫效率下降₪╃☁▩,限制了電解水制氫產業化的發展│╃。為了彌補催化劑效能不足的缺陷₪╃☁▩,只能透過提高催化劑負載量₪╃☁▩,這進一步推高了電解水制氫的成本│╃。

如何降低催化劑成本☁☁☁✘↟?試試幹法氣溶膠沉積

先進的 PEM 電解槽方案依賴於鉑基陰極和銥基陽催化劑₪╃☁▩,雖然部分文獻已經報道了鉑催化劑的替代品(Mo₪╃☁▩,Ag₪╃☁▩,CoP 等)₪╃☁▩,以及降低 Pt 的負載量的方案│╃。但對於陽極 Ir 催化劑₪╃☁▩,依然沒有較好的替代品或降低負載量的方案│╃。由於 Ir 仍是地球上最稀缺的金屬元素₪╃☁▩,催化劑的使用量成為限制電解水制氫發展的限速步│╃。
 

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Ir 是目前最稀缺的金屬材料之一
 

奈米級催化劑顆粒擁有更高的活性以及敏感性₪╃☁▩,如果先製備粉末₪╃☁▩,必然存在粉末顆粒團聚失活的問題₪╃☁▩,團簇級(2nm 及以下)Ir 粒子被認為擁有更高的活性₪╃☁▩,但也意味著更難保持粒徑穩定│╃。 VSParticle 公司提出一種新型的工藝採用幹法電極技術₪╃☁▩,直接將催化劑顆粒進行塗布₪╃☁▩,從而避免引入液體溶劑和大量粘結劑│╃。該工藝透過放電等離子體在流動的氣氛中形成 0-20nm 的初始氣溶膠顆粒₪╃☁▩,再利用衝壓沉積原理配合列印模組進行氣溶膠直寫沉積(詳見•☁:火花簡史Ⅰ•☁:閃電也能用來製備奈米材料)│╃。
 

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商業 Ir 催化劑尺寸較大₪╃☁▩,而氣溶膠沉積可製備出更小的團簇 Ir 顆粒

因此₪╃☁▩,如果能在不引入液體試劑的同時₪╃☁▩,將奈米催化劑產生後直接進行噴塗沉積₪╃☁▩,即可大限度的保證催化劑顆粒的初始粒徑及活性│╃。VSParticle 的火花燒蝕奈米氣溶膠技術整個過程無需引入任何化學試劑₪╃☁▩,顆粒即時生成₪╃☁▩,可調可控₪╃☁▩,大大減少了膜電極製備的工藝步驟│╃。
 

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氣溶膠直寫沉積原理

實驗證明₪╃☁▩,基於火花燒蝕和氣溶膠直寫技術₪╃☁▩,可在 Nafion 膜上製造(包括但不限於 Ir 與 Pt 等金屬₪╃☁▩,合金₪╃☁▩,氧化物)均勻的催化劑層│╃。此外₪╃☁▩,與傳統的製造方法相比₪╃☁▩,該技術工藝簡單◕│••▩、可降低成本和以及碳排放│╃。與現有技術相比₪╃☁▩,陽極 Ir 塗覆的 CCM 中貴金屬負載量可減少 20–80%₪╃☁▩,在 4cm2 單電池中進行水電解測試優於商用 CCM₪╃☁▩,Ir 的比功率密度降低了五倍(較低的值表明需要較少的 Ir 即可驅動電解反應)│╃。
 

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利用火花燒蝕氣溶膠列印進行雙面膜電極製備(Nafion 115)

使用該技術製備具有 IrOx 陽極和 Pt 陰極的 CCM₪╃☁▩,以證明該技術製造兩面均塗覆的 CCM 的潛力│╃。在 2V 電位下₪╃☁▩,氣溶膠沉積 CCM 電流密度比商用 CCM 高 1.5 倍以上₪╃☁▩,貴金屬的總負載降低了 4 倍│╃。將電解所需驅動電位降低了 160 mV│╃。
 

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VSParticle 的技術方案只需 0.4mg/cm2 負載量即可達到商業 2mg/cm2 的效果₪╃☁▩,同時 0.8mg/cm2 負載量的電流密度同電位下表現更為優異

降低制氫成本是我國推進氫能源發展₪╃☁▩,實現雙碳戰略目標的重要技術難題₪╃☁▩,透過 VSParticle 的氣溶膠直寫電極列印技術₪╃☁▩,可減少 CCM 的工藝流程₪╃☁▩,無需墨水大幅降低催化劑使用量│╃。根據估算₪╃☁▩,如按照 0.8mg/cm2 的 Ir 負載量₪╃☁▩,最終的量產工藝可 3 倍降低 CCM 製造成本₪╃☁▩,提升制氫效果│╃。
 

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關於氣溶膠奈米沉積技術

該測試使用 VSParticle 的新奈米印刷沉積系統 VSP-P1 完成₪╃☁▩,該系統是目前市場上無墨水的幹法氣溶膠列印沉積方案│╃。
 

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技術特點
 
  • 模組化設計₪╃☁▩,內建的氣溶膠發生器模組可獨立使用

  • 顆粒產生方式•☁:等離子火花放電

  • 支援材料•☁:金屬₪╃☁▩,金屬氧化物₪╃☁▩,合金₪╃☁▩,部分半導體材料₪╃☁▩,碳等

  • 初始顆粒粒徑•☁:1-20nm

  • 實現功能•☁:團簇顆粒的圖案化沉積

  • 載氣及執行環境•☁:常壓常溫₪╃☁▩,1-25 SLM 氮氣 / 氬氣

  • 列印區域•☁:15 × 15cm

  • 線寬控制•☁:最小 100um

  • 塗層厚度•☁:團簇-微米級

  • 應用領域•☁:電催化₪╃☁▩,感測器₪╃☁▩,線路互聯₪╃☁▩,增強拉曼等

VSParticle 源自代爾夫特理工大學的氣溶膠科學研究團隊₪╃☁▩,旨在銷售基於火花燒蝕氣溶膠沉積技術的奈米沉積平臺│╃。目前已累積了眾多使用者以及合作伙伴₪╃☁▩,包括研究型大學和學術機構₪╃☁▩,以及從事催化劑開發和其它應用的產業公司│╃。未來₪╃☁▩,預計將擁有更多使用者使用幹法氣溶膠技術以加快◕│••▩、簡化奈米材料的製作流程│╃。

典型使用者


 

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參考文獻
 
  1. Sapountzi F M, Lavorenti M, Vrijburg W, et al. Spark Ablation for the Fabrication of PEM Water Electrolysis Catalyst-Coated Membranes[J]. Catalysts, 2022, 12(11): 1343.

  2. SCHMIDT-OTT, Andreas (ed.). Spark Ablation: Building Blocks for Nanotechnology. CRC Press, 2019.

  3. TABRIZI, Nooshin Salman, et al. Generation of nanoparticles by spark discharge. Journal of Nanoparticle Research, 2009, 11.2: 315-332.

  4. SCHWYN, S.; GARWIN, E.; SCHMIDT-OTT, A. Aerosol generation by spark discharge. Journal of Aerosol Science, 1988, 19.5: 639-642.

  5. Scalable Spark Ablation Synthesis of Nanoparticles: Fundamental Considerations and Application in Textile Nanofinishing. 2016.

  6. FENG, Jicheng, et al. Unconventional Alloys Confined in Nanoparticles: Building Blocks for New Matter. Matter, 2020, 3.5: 1646-1663.

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