Ultraschallspritzen von extrem niedrig beladenen Iridiumschichten

Ultraschallspritzen von extrem niedrig beladenen Iridiumschichten auf eine Titan-basierte PTL erzeugt eine multifunktionale Grenzfläche zur Verbesserung der PEMWE-Leistung

Die Protonenaustauschmembran-Elektrolyse (PEMWE) hat sich aufgrund ihrer Vorteile wie hoher Wasserstoffreinheit, schneller Reaktionszeit und Anpassungsfähigkeit an Schwankungen erneuerbarer Energien zu einer Schlüsseltechnologie für die großtechnische Produktion von grünem Wasserstoff entwickelt. Allerdings verläuft die anodische Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) langsam, weshalb ein Iridium-basierter Katalysator erforderlich ist. Darüber hinaus neigen Titan-basierte poröse Transportschichten (PTLs) unter starker Oxidation und hohen Potenzialen zur Passivierung, was zu einer erhöhten Grenzflächenimpedanz und Leistungsverschlechterung führt. Der hohe Iridiumgehalt schränkt zudem die Kostensenkung und Effizienzsteigerung in der Industrie stark ein. Die Verwendung von Ultraschallsprühtechnologie zum Aufbringen einer Iridium-Niveauschicht auf die Oberfläche einer Titan-basierten PTL und die präzise Erzeugung einer multifunktionalen Grenzfläche, die Katalyse, Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit vereint, stellt einen wichtigen Ansatz zur Überwindung der Leistungs- und Kostenengpässe der PEMWE dar.

Titanbasierte PTLs haben sich aufgrund ihrer exzellenten Leitfähigkeit, hohen mechanischen Festigkeit und Säurebeständigkeit als Standard-Massentransportmaterial für PEMWE-Anoden etabliert. In Umgebungen mit hohem Potenzial (>1,6 V vs. RHE) und stark oxidierendem Milieu bildet sich jedoch spontan ein nichtleitender TiOₓ-Passivierungsfilm auf der Titanoberfläche. Dieser erhöht den Kontaktwiderstand zwischen Elektrode und Katalysatorschicht signifikant, verstärkt die ohmschen Verluste und reduziert die Energieumwandlungseffizienz. Herkömmliche Lösungen basieren auf hochbeladenen Edelmetallbeschichtungen (Ir, Pt usw.) zum Schutz der PTL; kommerzielle Geräte weisen häufig Iridiumbeladungen von über 1 mg·cm⁻² auf. Obwohl dies die Passivierung unterdrücken kann, behindern Ressourcenknappheit und hohe Kosten die Industrialisierung von PEMWEs. Die gleichzeitige Reduzierung der Grenzflächenimpedanz, die Steigerung der katalytischen Aktivität und die Verbesserung der strukturellen Stabilität bei extrem niedriger Iridiumbeladung stellen eine zentrale Herausforderung dar, die die Industrie dringend bewältigen muss.

Die Ultraschall-Sprühtechnologie bietet mit ihrer präzisen Zerstäubung und kontrollierbaren Abscheidungseigenschaften eine ideale Lösung für die effiziente Herstellung extrem dünner Iridiumschichten. Diese Technologie nutzt hochfrequente Ultraschallschwingungen, um eine Iridium-basierte Katalysatorsuspension in mikrometergroße, gleichmäßige Tröpfchen zu zerstäuben, die anschließend berührungslos auf die Oberfläche eines Titan-basierten Trägermaterials (PTL) aufgesprüht werden. Dies ermöglicht die präzise Kontrolle von Schichtdicke, Mikrostruktur und Iridiumbeladung. Im Vergleich zu herkömmlichen Sprüh- und Sputterverfahren vermeidet das Ultraschall-Sprühen effektiv Probleme wie Katalysatoragglomeration, ungleichmäßige Schichtdicke und Verstopfung der Substratporen. Selbst bei einer extrem niedrigen Iridiumbeladung von 0,025–0,1 mg·cm⁻² lässt sich eine durchgehende, dichte und gleichmäßige ultradünne Iridiumschicht erzeugen. Dieses Präzisionsbeschichtungsverfahren legt Iridiumatome an ihren aktiven Zentren vollständig frei und steigert die Katalysatorausnutzung auf über 90 %. Dies übertrifft die 30–50 % herkömmlicher Verfahren deutlich und unterstützt das Ziel „geringe Beladung, hohe Leistung“.

Durch die Modifizierung von Titan-basierten PTLs mit einer extrem dünnen Iridiumschicht entsteht eine optimierte Grenzfläche mit vielfältigen Funktionen, die die Gesamtleistung der PEMWE in mehreren Dimensionen verbessert. Erstens bietet sie Schutz vor Passivierung und verbessert die Leitfähigkeit: Die durchgehende, ultradünne Iridiumschicht isoliert das Titansubstrat vom stark oxidierenden Elektrolyten, hemmt die Bildung der TiOₓ-Passivierungsschicht an der Quelle, reduziert den Grenzflächenkontaktwiderstand um mehr als 60 % und verringert die ohmsche Überspannung signifikant. Zweitens bietet es zusätzliche Katalyse: Die Iridiumschicht selbst besitzt eine ausgezeichnete katalytische Aktivität für die Sauerstoffentwicklungsreaktion (OER) und kann synergistisch mit der herkömmlichen Anodenkatalysatorschicht als „ultradünne aktive Schicht“ wirken. Dadurch wird die Dreiphasengrenzfläche der Reaktion erweitert, die Wasserspaltung und die Sauerstoffentwicklung beschleunigt und die kinetische Überspannung der Reaktion reduziert. Drittens optimiert es den Stofftransport: Die mittels Ultraschallsprühen hergestellte Iridiumschicht weist eine gleichmäßige Porenstruktur und eine moderate Oberflächenrauheit auf. Dies gewährleistet einen effizienten Wassertransport und eine schnelle Sauerstoffdesorption und vermeidet gleichzeitig den durch herkömmliche dicke Beschichtungen verursachten erhöhten Stofftransportwiderstand. Dadurch wird die Stabilität unter hoher Stromdichte verbessert.

Experimentelle Daten bestätigen, dass die mittels Ultraschallsprühen modifizierte Elektrode bei einer Iridiumbeladung von nur 0,025 mg·cm⁻² auf der Titan-basierten PTL-Oberfläche eine mit herkömmlichen Elektroden mit hoher Beladung (1 mg·cm⁻²) vergleichbare Grenzflächenimpedanz und Batterieleistung erreicht. Bei einer Betriebsspannung von 1,9 V erreicht die Stromdichte der Elektrolysezelle über 3 A·cm⁻². In einem Stabilitätstest mit konstantem Strom von 1 A·cm⁻² arbeitet sie über 300 Stunden stabil ohne signifikante Leistungsverschlechterung. Verglichen mit unmodifizierten Titan-basierten PTLs reduziert die multifunktionale Grenzfläche die Zellspannung der PEMWE um 30–50 mV, verbessert den Wirkungsgrad der Energieumwandlung um 5–8 % und verringert den Iridiumverbrauch um mehr als das 40-Fache. Dadurch werden die Katalysatorkosten direkt um über 70 % gesenkt, was einen doppelten Durchbruch in Leistung und Wirtschaftlichkeit darstellt.

Aus Sicht der Industrialisierung bietet die Ultraschall-Sprühtechnologie eine hervorragende Skalierbarkeit und lässt sich in kontinuierliche Rolle-zu-Rolle-Produktionssysteme integrieren, um die Anforderungen an eine schnelle und stabile Beschichtung von breiten, titanbasierten PTLs zu erfüllen. Das Verfahren ist gut mit Suspensionen kompatibel, eignet sich für verschiedene Lösungsmittelsysteme wie wasser- und alkoholbasierte Lösungsmittel und vermeidet den Aufprall von Hochdruckluftströmen. Dadurch werden Verformungen des Titansubstrats und Beschädigungen des Films verhindert und die Produktkonsistenz über die gesamte Charge hinweg sichergestellt. Durch die tiefe Integration von Katalysatorsystemen mit niedrigem Iridiumgehalt und Grenzflächentechnik wird die Ultraschall-Sprühtechnik zur Modifizierung von titanbasierten PTLs mit extrem niedrigem Iridiumgehalt die kommerzielle Anwendung von PEMWE in der grünen Wasserstoffproduktion und der großtechnischen Energiespeicherung weiter vorantreiben und damit eine wichtige technologische Grundlage für die globale Energiewende und die Erreichung der Ziele der Klimaneutralität schaffen.

Zukünftig wird sich die Forschung an dieser Technologie auf drei Aspekte konzentrieren: erstens die Entwicklung von iridiumbasierten Einzelatom-Legierungskatalysatoren, um den Iridiumgehalt weiter zu reduzieren und die intrinsische Aktivität zu erhöhen; Zweitens werden die Parameter des Ultraschall-Sprühverfahrens optimiert, um die Mikrostruktur und die Grenzflächenhaftung der Iridiumschicht präzise zu steuern. Drittens wird der Degradationsmechanismus multifunktionaler Grenzflächen unter Langzeitbetriebsbedingungen erforscht, um die Lebensdauer der Elektroden durch gezielte Grenzflächenstrukturierung zu verlängern. Durch technologische Weiterentwicklung und Innovation werden kontinuierliche Durchbrüche bei der Leistung und Kostenoptimierung von PEMWE erzielt und die grüne Wasserstoffindustrie in eine neue Phase effizienter, kostengünstiger und großtechnischer Entwicklung geführt.

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.