Ultraschallspritzen einer Iridiumschicht auf Ti-basiertem PTL

Cheersonic Ultraschallspritzen einer Iridiumschicht auf Ti-basiertem PTL zur Herstellung multifunktionaler Grenzflächen für verbesserte PEMWE-Leistung

Die Protonenaustauschmembran-Wasserelektrolyse (PEMWE) hat sich als Kerntechnologie für die großtechnische Produktion von grünem Wasserstoff etabliert. Sie profitiert von hoher Wasserstoffreinheit, schneller Reaktionszeit und Anpassungsfähigkeit an Schwankungen in der Stromerzeugung aus erneuerbaren Energien. Die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) weist jedoch eine träge Reaktionskinetik auf, was den Einsatz teurer Iridium(Ir)-basierter Katalysatoren erforderlich macht. Gleichzeitig neigen Titan-basierte poröse Transportschichten (PTL) unter stark oxidierenden und hochpotentiellen Betriebsbedingungen zur Bildung von Passivierungsschichten, was zu einer Erhöhung der Grenzflächenimpedanz und einer Leistungsverschlechterung führt. Darüber hinaus schränkt der hohe Iridiumverbrauch die Kostensenkung und Effizienzsteigerung bei der Industrialisierung stark ein. Die Anwendung der Ultraschall-Sprühtechnologie zur Abscheidung von Iridiumschichten mit extrem niedriger Beladung auf der Oberfläche von PTL auf Titanbasis und zur präzisen Konstruktion multifunktionaler Grenzflächen, die Katalyse, elektrische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit integrieren, hat sich zu einem entscheidenden Ansatz entwickelt, um die Leistungs- und Kostenengpässe der PEMWE zu überwinden.

Titanbasierte PTL ist aufgrund seiner exzellenten elektrischen Leitfähigkeit, hohen mechanischen Festigkeit und Säurebeständigkeit der gängigste Massentransferträger für PEMWE-Anoden. Unter dem hohen anodischen Potenzial (>1,6 V vs. RHE) und in stark oxidierender Umgebung bildet sich jedoch spontan ein nichtleitender TiOₓ-Passivierungsfilm auf der Titanoberfläche. Dieser erhöht den Kontaktwiderstand zwischen Elektrode und Katalysatorschicht drastisch, verstärkt die ohmschen Verluste der Zelle und reduziert den Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Herkömmliche Lösungen basieren auf hochbeladenen Edelmetallbeschichtungen (Ir, Pt usw.) zum Schutz der PTL, wobei die Iridiumbeladung kommerzieller Geräte oft 1 mg·cm⁻² übersteigt. Obwohl die Passivierung unterdrückt werden kann, behindern Ressourcenknappheit und hohe Kosten die Industrialisierung von PEMWE. Die gleichzeitige Reduzierung der Grenzflächenimpedanz, Verbesserung der katalytischen Aktivität und Erhöhung der strukturellen Stabilität bei extrem niedriger Iridiumbeladung stellt daher eine zentrale Herausforderung für die Industrie dar.

Dank präziser Zerstäubung und kontrollierter Abscheidung bietet die Ultraschall-Sprühtechnologie eine ideale Lösung für die effiziente Herstellung von Iridiumschichten mit extrem niedriger Beladung. Durch hochfrequente Ultraschallvibrationen wird die Iridium-basierte Katalysatorsuspension in gleichmäßige Tröpfchen im Mikrometerbereich zerstäubt und berührungslos auf die Oberfläche des Titan-basierten PTL aufgebracht. Dies ermöglicht die präzise Steuerung von Schichtdicke, Mikrostruktur und Iridiumbeladung. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren wie konventionellem Sprühen und Sputtern vermeidet das Ultraschall-Sprühen effektiv Katalysatoragglomeration, ungleichmäßige Schichtdicke und Verstopfung der Substratporen. Selbst bei einer extrem niedrigen Iridiumbeladung von 0,025–0,1 mg·cm⁻² lässt sich eine kontinuierliche, dichte und gleichmäßige ultradünne Iridiumschicht erzeugen. Dieses Präzisionsbeschichtungsverfahren legt die aktiven Zentren der Iridiumatome vollständig frei und erhöht die Katalysatorausnutzung auf über 90 % – deutlich höher als die 30–50 % herkömmlicher Verfahren – und unterstützt so das Ziel einer „geringe Beladung bei hoher Leistung“.

Die Modifizierung von Titan-basierten PTLs mit einer ultradünnen Iridiumschicht ermöglicht die Herstellung optimierter Grenzflächen mit vielfältigen Funktionen und verbessert so die Gesamtleistung von PEMWEs in mehreren Dimensionen. Erstens: Passivierungswiderstand und elektrische Leitfähigkeit: Die durchgehende, ultradünne Iridiumschicht isoliert das Titansubstrat vom stark oxidierenden Elektrolyten, hemmt die Bildung von TiOₓ-Passivierungsschichten an der Quelle, reduziert den Grenzflächenkontaktwiderstand um mehr als 60 % und senkt die ohmsche Überspannung signifikant. Zweitens: Zusätzliche katalytische Leistung: Die Iridiumschicht selbst weist eine exzellente OER-katalytische Aktivität auf und fungiert als „ultradünne aktive Schicht“, die synergistisch mit der herkömmlichen Anodenkatalyseschicht zusammenwirkt. Dadurch wird die Dreiphasen-Reaktionsgrenzfläche erweitert, die Wasserspaltung und Sauerstoffentwicklung beschleunigt und die kinetische Überspannung der Reaktion reduziert. Drittens: Optimierung des Stofftransports: Die mittels Ultraschallsprühen hergestellte Iridiumschicht zeichnet sich durch eine gleichmäßige Porenstruktur und moderate Oberflächenrauheit aus. Dies gewährleistet einen effizienten Wassertransport und eine schnelle Sauerstoffdesorption und vermeidet einen erhöhten Stofftransportwiderstand. Durch die Verwendung herkömmlicher dicker Beschichtungen wird die Stabilität unter hoher Stromdichte verbessert.

Experimentelle Daten bestätigen, dass die mittels Ultraschallsprühen modifizierte Elektrode bei einer Iridiumbeladung der Titan-basierten PTL-Oberfläche von nur 0,025 mg·cm⁻² die gleiche Grenzflächenimpedanz und Zellleistung wie herkömmliche Elektroden mit hoher Beladung (1 mg·cm⁻²) erreicht. Bei einer Betriebsspannung von 1,9 V übersteigt die Stromdichte des Elektrolyseurs 3 A·cm⁻². Im galvanostatischen Stabilitätstest bei 1 A·cm⁻² wurde ein stabiler Betrieb über 300 Stunden ohne nennenswerten Leistungsabfall erzielt. Verglichen mit unmodifizierter Titan-basierter PTL reduziert die multifunktionale Grenzfläche die PEMWE-Zellspannung um 30–50 mV, erhöht den Energieumwandlungswirkungsgrad um 5–8 % und senkt den Iridiumverbrauch um mehr als das 40-Fache. Dadurch werden die Katalysatorkosten direkt um mehr als 70 % gesenkt, was zu einem doppelten Durchbruch in Leistung und Wirtschaftlichkeit führt.

Aus Sicht der Industrialisierung zeichnet sich die Ultraschall-Sprühtechnologie durch gute Skalierbarkeit aus und lässt sich in kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Produktionssysteme integrieren, um den Bedarf an schneller und stabiler Beschichtung von breiten, titanbasierten PTL zu decken. Das Verfahren ist mit verschiedenen Lösungsmittelsystemen, darunter wasser- und alkoholbasierte Suspensionen, kompatibel. Da kein Hochdruckluftstrom zum Einsatz kommt, werden Verformungen des Titansubstrats und Membranschäden vermieden, wodurch die Konsistenz der Chargenprodukte gewährleistet wird. Durch die Integration von Katalysatorsystemen mit niedrigem Iridiumgehalt und Grenzflächentechnik wird das technische Verfahren zur Modifizierung von titanbasierten PTL mittels Ultraschall-Sprühen von Iridiumschichten mit extrem niedriger Beladung die kommerzielle Anwendung von PEMWE in der Produktion von grünem Wasserstoff, der großtechnischen Energiespeicherung und anderen Bereichen weiter vorantreiben und damit einen entscheidenden technischen Beitrag zur globalen Energiewende und zur Erreichung der Ziele der Klimaneutralität leisten.

Zukünftig werden sich die Forschungsrichtungen dieser Technologie auf drei Aspekte konzentrieren: erstens die Entwicklung von iridiumbasierten Einzelatom- und Legierungskatalysatoren zur weiteren Reduzierung der Iridiumbeladung und Steigerung der intrinsischen Aktivität; Zweitens werden die Parameter des Ultraschall-Sprühverfahrens optimiert, um die mikroskopische Morphologie und die Grenzflächenhaftung von Iridiumschichten präzise zu steuern. Drittens wird der Dämpfungsmechanismus multifunktionaler Grenzflächen unter Langzeitbetriebsbedingungen erforscht und die Lebensdauer der Elektroden durch gezielte Grenzflächenstrukturierung verlängert. Durch technologische Weiterentwicklung und Innovation werden die Leistungs- und Kostenengpässe von PEMWE kontinuierlich überwunden, wodurch die grüne Wasserstoffindustrie in eine neue Phase hocheffizienter, kostengünstiger und großtechnischer Entwicklung eintritt.

Über Cheersonic

Cheersonic ist der führende Entwickler und Hersteller von Ultraschallbeschichtungssystemen zum Auftragen präziser Dünnschichtbeschichtungen zum Schutz, Festigen oder Glätten von Oberflächen auf Teilen und Komponenten für die Mikroelektronik/Elektronik, alternative Energie, Medizin und Industrie, einschließlich spezialisierter Glasanwendungen im Bau und Automobil.

Unsere Beschichtungslösungen sind umweltfreundlich, effizient und äußerst zuverlässig und ermöglichen eine drastische Reduzierung des Übersprays, Einsparungen beim Rohstoff-, Wasser- und Energieverbrauch und eine verbesserte Prozesswiederholbarkeit, Transfereffizienz, hohe Gleichmäßigkeit und reduzierte Emissionen.