Forschung und Anwendung der Ultraschallzerstäubungssprühtechnologie bei der katalytischen Filmvorbereitung

Ultraschallzerstäubungssprühen, das auf dem hochfrequenten Vibrations-Präzisionszerstäubungsmechanismus basiert, kann gleichmäßige Mikrotröpfchen mit niedriger-kinetischer-Energie erzeugen und ermöglicht so die kontrollierbare Abscheidung ultradünner, hochkonsistenter Katalysatorschichten mit einer Materialausnutzungsrate von über 90 %. Diese Technologie wandelt sich allmählich von der Laborforschung zur industriellen Massenproduktion in Anwendungen wie Protonenaustauschmembran-Brennstoffzellen, Wasserelektrolyse zur Wasserstoffproduktion, Katalysatormembranen zur Kohlenstoffabscheidung, photokatalytischen Trennmembranen und Katalysatormembranen zur Gasreinigung. In diesem Artikel werden die Grundprinzipien, technologischen Vorteile, gängigen Anwendungsszenarien, bestehende technologische Engpässe und zukünftige Entwicklungsrichtungen des Ultraschallzerstäubungssprühens für die Vorbereitung von Katalysatormembranen erläutert und eine Prozessreferenz für die Herstellung von Hochleistungskatalysatormembranen im großen Maßstab bereitgestellt.

1.Grundprinzipien und Systemaufbau des Ultraschallzerstäubungssprühens zur katalytischen Filmvorbereitung

1.1 Mechanismus der Atomisierungsfilmbildung

Die Ultraschalldüse enthält einen piezoelektrischen Keramikwandler, der hochfrequente elektrische Signale (20–120 kHz) in hochfrequente mechanische Schwingungen umwandelt. Diese Vibrationen werden auf den Flüssigkeitsfilm an der Düsenendfläche übertragen und regen periodische Kapillarwellen an. Wenn die Vibrationsenergie den Schwellenwert der Flüssigkeitsoberflächenspannung überschreitet, bricht der Flüssigkeitsfilm zusammen und verteilt sich in eng verteilte Mikrotröpfchen von 1 bis 50 μm. Eine kleine Menge eines Trägergases mit niedrigem{10}}Druck schränkt die Tröpfchenflugbahn gezielt ein und ermöglicht es den Tröpfchen mit niedriger-kinetischer-Energie, sich reibungslos auf Substraten wie Protonenaustauschmembranen, porösen Keramiken, Kohlepapier und Polymertrennmembranen abzusetzen. Schichtweise Ausbreitung und Lösungsmittelverdunstung verfestigen sich zu einer kontinuierlichen und gleichmäßigen katalytischen Schicht. Der gesamte Prozess wird ohne hohe Druckeinwirkung durchgeführt, wodurch eine „weiche Landefilmbildung“ erreicht und Substratverformungen, Mikroporenverstopfungen und Katalysatorrückprallabfälle vermieden werden.

 

Der Filmbildungsprozess ermöglicht eine präzise Steuerung der Dicke, Beladung und Porosität der Katalysatorschicht durch sechs Parameter: Schlammdurchflussrate, Ultraschallfrequenz, Düsenbewegungsgeschwindigkeit, Substraterwärmungstemperatur, Anzahl der Beschichtungsschichten und Sprühabstand. Dies ermöglicht die Herstellung ultradünner Katalysatorfilme im Nanomaßstab und den Aufbau mehrschichtiger Katalysatorschichten mit Gradientenporenstruktur.

 

1.2 Systemaufbau Eine komplette Ultraschall-Sprühproduktionslinie für Katalysatorfilme umfasst: Ultraschallzerstäubungsdüsen, hochpräzise Mikro--Flüssigkeitsversorgungspumpen, XYZ-Drei--Achsen-Bewegungsplattform, Heiztisch mit konstanter Temperatur, versiegelte Staubentfernungskammer, Gasquellen-Druckregelmodul, SPS-Regelsystem mit geschlossenem Regelkreis und Lösungsmittelrückgewinnungsgerät. Das Labormodell ist ein Desktop-Gerät im kleinen -Maßstab, während die Massenproduktionslinie mit mehreren -Düsenanordnungen und kontinuierlichen Beschichtungsstrukturen von Rolle zu Rolle konfiguriert werden kann, die für alles geeignet sind, vom Prototyping kleiner Muster bis hin zur kontinuierlichen Rollenproduktion auf großen Flächen.

 

2. Vorteile des Ultraschallzerstäubungssprühens für die katalytische Membranvorbereitung

2.1 Hervorragende Gleichmäßigkeit der katalytischen Schicht und deutlich verbesserte Nutzung der aktiven Zentren

Durch die Ultraschallzerstäubung entstehen Tröpfchen mit enger Partikelgrößenverteilung, wodurch die Sedimentation und Agglomeration der Katalysator-Nanopartikel sowie der Kaffeeringeffekt wirksam unterdrückt werden. Die Abweichung der Katalysatorschichtdicke kann innerhalb von ±5 % kontrolliert werden, was zu einer hohen Konstanz der Katalysatorbeladung pro Flächeneinheit führt. Durch die vollständige Freilegung der aktiven Komponenten entsteht eine kontinuierliche und ungehinderte Gas--Flüssigkeits--Feststoff-Dreiphasen---Reaktionsschnittstelle, wodurch das Überpotential der elektrokatalytischen Reaktion erheblich reduziert wird. Die katalytische Aktivität wird bei gleicher Menge an Edelmetallen um 10–20 % erhöht, wodurch es sich besonders für die Herstellung von katalytischen Membranen mit extrem niedrigen Platin- und extrem niedrigen Iridiumbeladungen eignet.

 

2.2 Extrem hohe Nutzung von Edelmetallmaterialien, wodurch die Produktionskosten gesenkt werden

Beim herkömmlichen pneumatischen Sprühen kommt es zu starken Overspray-Verlusten, was zu einer erheblichen Verschwendung von Edelmetallschlämmen wie Platin, Iridium und Ruthenium führt. Das Ultraschallspritzen weist starke gerichtete Abscheidungseigenschaften auf und erreicht eine Materialausnutzungsrate von über 90 %. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren können dadurch mehr als 30 % der Edelmetallverbrauchsmaterialien eingespart werden, wodurch der Kostendruck durch die Knappheit von Platingruppenmetallen deutlich gemildert wird. Dies ist ein wichtiger Weg zur Kostenreduzierung bei der Kommerzialisierung von Membranelektroden mit geringer -Belastung. 2.3. Milde Abscheidung schützt empfindliche Substrate, anpassbar an mehrere Membransubstrate

 

Die niedrige Tröpfchengeschwindigkeit und die geringe kinetische Aufprallenergie verhindern, dass der Sprühprozess ein Anschwellen und Perforieren von Protonenaustauschmembranen, einen Mikroporenkollaps von porösen Keramikmembranen oder Verformungsschäden an Polymertrennmembranen verursacht. Es kann sowohl auf Einzel- als auch auf Doppelseiten von flexiblen Filmen wie Nafion-Protonenaustauschmembranen und Anionenaustauschmembranen aufgetragen werden und kann auch zur Herstellung katalytischer Schichten auf unregelmäßig geformten und porösen Substraten wie Kohlepapier, Nickelschaum, Wabenkeramik, PVDF-Ultrafiltrationsmembranen und porösen Trägern auf Titan--Basis verwendet werden, was eine extrem starke Substratkompatibilität zeigt.

 

2.4 Hohe Prozesskontrollierbarkeit, anpassbar an Gradientenstrukturen und maßgeschneiderte ultradünne katalytische Verbundmembranen

Durch segmentiertes Sprühen mit variablen Parametern können katalytische Gradientenmembranen mit unterschiedlichen Porositäten in der Oberfläche und den inneren Schichten hergestellt werden, wodurch der Stofftransport der Reaktanten und die Gasdesorptionsfähigkeiten optimiert werden. Die Dicke einer einzelnen Membranschicht kann im Bereich von Hunderten von Nanometern bis zu mehreren Mikrometern präzise gesteuert werden. Durch mehrschichtiges abwechselndes Sprühen können dual-funktionale katalytische Verbundbeschichtungen aufgebaut werden, die die strukturellen Designanforderungen mehrerer Szenarien wie Elektrolyse, Photokatalyse und Membrantrennung erfüllen. Der Prozess weist eine gute Wiederholbarkeit und hohe Stabilität in der Massenproduktion auf.

 

2.5 Grüner und schadstoffarmer, umweltfreundlicher Betrieb. Es ist keine Druckluft mit hohem-Druck und hohem-Durchfluss erforderlich, was zu einer geringeren Verdunstung organischer Lösungsmittel führt. Das zugehörige Lösungsmittelrückgewinnungssystem ermöglicht ein geschlossenes Recycling der Aufschlämmung, und die Emissionen von Abgasen und Abfallflüssigkeit sind geringer als bei herkömmlichen Sprühverfahren, was den umweltfreundlichen Produktionsstandards für neue chemische Materialien entspricht.

 

Das Ultraschallzerstäubungssprühen mit seinen Kernvorteilen gleichmäßiger Filmbildung, hoher Materialausnutzung, keiner Beschädigung des Substrats und präziser Dickenkontrolle überwindet die inhärenten Mängel herkömmlicher Verfahren zur Herstellung katalytischer Membranen. Es erfüllt perfekt die Kernanforderungen leistungsstarker katalytischer Membranen hinsichtlich Mikrostruktur, Beladungsgenauigkeit und Kostenkontrolle und ist mittlerweile zur gängigen Vorbereitungstechnologie für elektrokatalytische Membranelektroden mit Wasserstoffenergie geworden. Es dringt auch rasch in die katalytischen Membranbereiche der Kohlenstoffumwandlung, Wasseraufbereitung, Abgasbehandlung und neuen Energiespeicherung vor. Mit der ausgereiften Industrialisierung der Ausrüstung und der Standardisierung von Prozesssystemen wird das Ultraschallzerstäubungssprühen unweigerlich verschiedene katalytische Membranmaterialien von der Laborforschung zur kostengünstigen, großtechnischen Massenproduktion vorantreiben und wichtige Prozessunterstützung für die qualitativ hochwertige Entwicklung der neuen Energie- und Umweltkatalyseindustrie im Rahmen der Dual-{7}Kohlenstoffziele bieten.