התפקיד של משטח מתקפל לשיפור ביצועי תאי דלק ואלקטרוליצרים

התפקיד של משטח מתקפל לשיפור ביצועי תאי דלק ואלקטרוליצרים

תאי דלק ואלקטרוליטים הם טכנולוגיות אבן הפינה במעבר העולמי לאנרגיה נקייה.תאים לדלק להמיר אנרגיה כימית ממימן או דלקים אחרים לחשמל עם מים כמו המוצר העיקרי, בעוד אלקטרוליצרים משתמשים בחשמל כדי לחלק מים למימן וחמצן, המאפשר אחסון אנרגיה ודה-קרבן של תהליכים תעשייתיים.יעילות, עמידות עליות, ויעילות של מכשירים אלה תלויים במידה רבה בחומרים המשמשים את האלקטרואקטיביות שלהם, על ידי פונקציות יעילות של תפקוד חשמליות, וגמישות, על פני השטח של תאים קריטיים, היא לשפר את תפקודים של תפקודים.

יסודות של תאי דלק ואלקטרוליצרים

כיצד פועל תאי דלק

תא דלק מורכב מאבן, קטוודה, ומדליקת אלקטרוליטית גז מימן. הידרוגן מוזן לאודיה, שם הוא מחולק לפרוטונים ואלקטרונים. הפרוטונים נוסעים דרך המזכר אלקטרוליטי לקטודה (האלקטרוליטה) ועד לקטודה, בעוד אלקטרונים זורמים דרך מעגל חיצוני, ומייצרים חשמל.

איך אלקטרוליטייזר עובד

אלקטרוליצרים פועלים הפוך. זרם חשמלי מוחל על מים, פיצול אותו למימן וחמצן.בפרוטון חילופי membrane (PEM) אלקטרוליצר, מים הוא מחמצן ב aode כדי לייצר חמצן, פרוטונים, ואלקטרונים. Protons לחצות את המזכר לקטו, שבו הם משלבים אלקטרונים כדי ליצור גז מימן, במיוחד עבור קדומים אלה, הוא צורך בציפוי ראייה נמוכה יותר.

למה דברים על פני השטח

ציפויי פני השטח מציעים מנוף חזק כדי לכוון את המאפיינים הפיזיים והכימיקליים של אלקטרודות, צלחות דו קוטביות ורכיבים אחרים ללא שינוי החומרי הגדול.הם מתמודדים עם מספר אתגרים קריטיים:

• (FLT:0Corrosion Protection: 1 בסביבות חומציות או אלקליין, אלקטרודות מתפוגגות במהירות.
• (FLT:0) פעילות קטליטית של אנט: 1 רכזות יכול לחשוף אתרים פעילים יותר, לשנות מבנים אלקטרוניים, או לספק השפעות סינרגיות לשיפור שיעורי התגובה.
• (FLT:0) יעילות מוכחת: FLT:1 ציפויים רבים, במיוחד מתכתי או פחמן מבוסס, להפחית התנגדות חשמלית בממשקים, להגביר את היעילות הכוללת.
• (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (FLT:0) אלקטרוניקה: 1) באלקטרוליטייזרים, ציפויים יכולים לדכא תגובות שליליות לא רצויות, כגון היווצרות מימן peroxide או הפחתה של חמצן פרציטי.

סוגים של מחסומים ויישומים שלהם

Metallic Coatings

מתכות נובלות כמו פלטינה, איריום, ו-ruthenium משמשים נרחב כמו ציפויים בשל פעילות הקטליטית יוצאת דופן שלהם עבור ORR ו OER. פלטינום ציפויים על פחמן תומך הם סטנדרטיים בתאי דלק PEM, אבל עלות ומחסור מניעים את החיפוש עבור חלופות פחות יקר.FLT:0 שכבות של פלטינה (לעתים רק כמה שכבות אטומיות) מופקדים על ליבות מתכת לא מתכת, כמו ציפוי מתכתי מתכתי מתכת כגון ניקל.

Oxide Coatings

תחמוצת מתכת טרנזיס מציעה איזון של פעילות, יציבות, ועלות. Titanium דו חמצני (TiO2) ציפויים מוחלים על לוחות דו קוטביים ב- PEM אלקטרוליטייזרים כדי להגן מפני קורוזיה ולשמור על עמידות מגע נמוכה. Doping TiO2 עם חנקן או פלואורין יכול לשפר עוד יותר את מוליכות חשמלית (CO2) ציפויים של Cox עבור יכולת האחסון שלהם, אשר יכול לחקור חמצן פעיל.

קידוד מבוסס פחמן

פחמן הוא מנצח מצוין והוא יכול להיות מיושם כציפוי להגן על רכיבי מתכת מן קורוזיה תוך שמירה על התנגדות חשמלית נמוכה.FLT:0Carbon מבוסס ציפויים, במיוחד פחמן דמוי יהלום (DLC) וגרף, משמשים על לוחיות נירוסטה דו קוטבית של פלדה כמו גם תאים חשמליים אלקטרוליטים.

Polymer Betaings

פולימרים מוליכים, כגון פוליאנילין (PANI) ופוליפידרול (PPy), משמשים כציפוי המשלב מוליכות חשמלית עם גמישות וקלות עיבוד.הם יכולים להיות אלקטרודה על משטחים אלקטרודה כדי לשפר את העברה המטען ולהגן מפני קורוזיה.בכמה עיצובים, ציפויים פולימרים פועלים גם כקשורים חלקיקים, שיפור דבקות ומניעת detachment, בדרך כלל יש ציפויים חזקים יותר או להפחית את הטמפרטורות גבוהות יותר, או להפחית את החמצן שלהם.

Composite ו- Multilayer

כדי לשלב את היתרונות של חומרים שונים, ציפויים מורכבים ורב-שכבות מפותחים.לדוגמה, שכבת תחמוצת חמצני של 0 מטר מכוסה מעטפת מתכת אצילית דקה 1 יכול להציע התנגדות קורוזיה ופעילות קטליטית גבוהה. Alternating שכבות של פחמן קרמיקה יכול לכוון התרחבות תרמית ומתח מכני.

שיטות יישומים עבור Surface Coatings

המונחים:PVD

טכניקות PVD, כולל sputtering ו evaporation, משמשים להפקיד סרטים דקים של מתכות או תחמוצות מתכת על substrates. שיטות אלה לייצר ציפויים צפופים, אחידים עם דבקות מצוינת. sputtered פלטינה או סרטי iridium נפוצים ב אלקטרודות בקנה מידה מחקר. PVD ניתן בקנה מידה לייצור תעשייתי, אם כי עלויות נשאר גבוה עבור מתכות אציליות.

המונחים: CVD

CVD מגיב מבשרי גז כדי ליצור ציפויים מוצקים על פני השטח substrate.טכניקה זו מתאימה עבור תחמוצת חמצני וציפוי Semiconductor. לדוגמה, ALD (גרסה של CVD) הפיקדונות עם דיוק אטומי, מה שהופך אותו אידיאלי ליצירת שכבות אולטרה-אין-in הממקסימות של חומרים יקרים. ALD שימש כדי למעיל אלקטרודה עם שכבות אחידות של פלטינה, תת-חמצני, או הגנה על קורוזיאוקס.

אלקטרודה

אלקטרודה משתמשת זרם חשמלי כדי להפחית את השדות מתכת מהפתרון על תת-קרקעית התנהגותית.זה עלות יעילה, מהירה, ויכולה לחבוש ג'ממטות מורכבות. ⁇ ניקל-קוביט הם אלקטרודהידנטים כמו ציפויים מגן על לוחות דו קוטביים. Pulse אלקטרודהפוזיציה מייצרת ציפויים נבנים עם שטח גבוה.

סול-גאל ודיפ-קוינג

תהליכים סול-גל מאפשרים יישום של ציפוי תחמוצת מ מבשרי נוזל, ואחריו טיפול תרמי. שיטה זו פשוטה ויכולה לשלב dopants בקלות. Sol-gel titanium דו-חמצני ציפויים מוחלים על רכיבי פלדה קורטוזיה- prone נירוסטה. Dip-coating הוא מעשי עבור משטחים שטוחים גדולים כמו צלחות דו קוטבית.

תגית: Thermal Spray

תהליכי תרסיסים חמורים, כגון רסס פלזמה, ציפויים עבים (50–500 מיקרומטר) של מתכת או אבקות קרמיקה. ציפויים אלה משמשים בעיקר להגנה מפני ללבוש וקורוזיה ולא לפעילות קטליטית. הם מוחלים על צלחות דו קוטביות בתאי דלק בטמפרטורה גבוהה כמו תאי דלק תחמוצת מוצק (SOFCs).

היתרונות של משטח מתקפלים בדלק

שיפור יכולת

(FLT:0Corrosion of Carbon Support and Metalזרז חלקיקים הוא מנגנון השפלה גדול 1Felo בתאים דלק.משטח ציפויים להגן על רכיבים אלה מפני סביבות חומציות ולחות גבוהות.לדוגמה, ציפוי פחמן שחור תומך עם שכבת דק של תחמוצת טיטניום מונע קורוזיה פחמן במהלך מחזורי התחלה / צעיף.

שיפור פעילות הקטליטית

על ידי הגדלת שטח פני השטח פעיל אלקטרוכימי (ECSA) באמצעות ציפויים nanostructured, ניצול זרז משתפר. פלטינום ציפויים על מערך nanowire או על ⁇ פחמן תת-קרקעית להראות פעילות המונית גבוהה יותר מאשר זרז חלקיקים קונבנציונליים. מבנים Core-shell, שבו מעטפת פלטינה דק מכסה ניקל או cobalt הליבה, הם יעילים במיוחד.

הרעלת

זרזי תא דלק רגישים להרעלת פחמן חד תחמוצת (CO), תרכובות sulfur, ו anmmonia נוכח מימן רפורמה. ציפויים מסוימים, כגון סגסוגת פלטינה-רוטיום, יש אנרגיה נמוכה יותר פחמן, המאפשרת הפעלה על גז רפורמה עם סובלנות גבוהה יותר. ציפוי פולימר יכול גם לפעול כמו membranes, חסימת רעל בעוד מימן מאפשר להגיע זרז.

היתרונות של משטח מתקפלים באלקטרוליצרים

המונחים: overpotentials

ה- OER ב-Aode הוא הצעד המגביל את ה- PEM אלקטרוליזה. (FLT:0) ציפוי תחמוצת הפחמן עם שטח משטח גבוה להפחית את העודף של כמה מאות מיליליטרים 1:1 בהשוואה תת-קרקעית מתכת חשוף.

התנגדות קורוזיה

אנגדות ב- PEM אלקטרוליצרים לפעול תחת פוטנציאל רב (>1.6 V) ותנאים חומציים, גרימת קורוזיה חמורה של רוב המתכות.ציפוי מגינים של חריום, תחמוצת קרוניום, או קרמיקה התנהגותית (תתתתתתתמי טיטניום) מונעים פירוק ושמירה על ביצועים לאורך אלפי שעות.

יציבות מוגברת

עם מסטיקה (צד התגובה של האבולוציה ההידרוגנית) עם disulfide molybdenum ניקל או ניקל-molybdenum ⁇ s יכול להגדיל את ההתנגדות שלה ל deactivation. in alkaline אלקטרוליצרs, ציפויים המבוססים ניקל עם קובלט נוסף או ברזל להראות שיפור יציבות נגד היווצרות של hydride או שכבות פסיביות.

מחקר וכיוונים עתידיים

עקבו אחרי NTUTUTOR

ננוטכנולוגיה מאפשרת ציפויים עם תכונות חסרות תקדים.FLT:0Nanostructured ציפויים, כגון nanowires, nanoflakes, ו meso ⁇ סרטים veFLT:1, לספק שטח משטח גבוה לחשוף היבטים פעילים כי הם יותר קטליטי. עבור תאי דלק, פלטינה שהופקדו על בד פחמן מטבול מסחרי Pt / C זרזים בפעילות ועמידה פנים פעילים הראו ליקסיום גבוה יותר מאשר סרטים.

שני חומרים

Graphene ו-מעבר מתכת dichalcogenides (TMDs) כמו MoS2 ו- WS2 נחקרים כציפוי להגנה וגם לקטאליזה. ציפויים של Graphene על תת-קרקעית מתכת מספקים התנגדות קורוזיה יוצאת דופן ו מוליכות חשמלית. MoS2 ציפויים מבטיחים לתגובה של האבולוציה מימן (HER) כאלטרנטיבה דלת לפלסטיקה כפולה (LDL), במיוחד כאשר הם תומכים ב-HER (HER) ב-HER-HER) במיוחד כאשר הם מעלים כפולים כפולים כפולים (HER-HER-HER-HD) במיוחד כאשר הם מעל פני זרזים כפולים).

MXenes

MXenes (transition מתכת carbides ו nitrides) הם סוג של חומרים דו-ממדיים עם מוליכות מתכתית הידרופילנסיבית.הם נבדקו כציפוי עבור supercapacitors ועכשיו הם מוחלים על מכשירים אלקטרוכימיים. מחקרים ראשוניים להראות ציפויים MXene יכול לשפר את עמידות קורוזיה של סוללות נירוסטה דו קוטבי לשרת כמו זרז עבור פלטינה, שיפור פעילות ויציבות.

Machine Learning and High- Throughput Screening

החוקרים משתמשים בלמידה של מכונות כדי להאיץ את גילוי יצירות הציפוי האופטימליות. בדיקות חישוביות באמצעות חישוביות גבוהה יכול לחזות את הפעילות הקטליטית ואת יציבות של אלפי חומרים ציפוי אפשריים 1, המנחה מאמצים ניסיוניים כלפי המועמדים המבטיחים ביותר. גישה זו זיהתה סגסוגת חרישית חדשה ו quaternary שעשויה לזרז ציפויי מתכת מסורתיים.

אתגרים במימוש

(FLT:0) Cost:BuildFLT:1 , ציפוי מתכת נובל, במיוחד פלטינה וiridium, הם יקרים. הפחתה עובי לשכבות אטומיות עוזר אבל דורש ייצור מדויק. חלופות לא-נובל לעתים קרובות חסר יציבות ארוכת טווח בתנאים תפעוליים.

(FLT:0) calScalability: FLT:1 טכניקות ציפוי מתקדמות רבות (ALD, sputtering) איטיות ויקרות לייצור המוני.העברת פריצות דרך מעבדה לתהליכים מתמשכים תעשייתי מאתגר.

(FLT:0) אחריות והתאמה: FIRLT:1 , מתקפלים חייבים לדבוק חזק מתחת לרכיבה תרמית ומכנית. Mismatch in תרמי חסכוניs יכול לגרום לדהמה.בנוסף, ציפויים חייבים להיות תואמים עם אלקטרוליטטה ורכיבים אחרים - לדוגמה, חומרים ציפוי לא חייבים להיצמד לביצועים של membrane ו degrad.

(FLT:0) ניטור פורפורנס: 1 באיור 1 באיור של ציפויים הוא קשה.פיתוח טכניקות אופרהנדו (למשל, ספקטרום ספיגת רנטגן, Raman microscopy) כדי לפקח על הציפוי במהלך המבצע יעזור אופטימיזציה עיצוב ופיתוח.

מסקנה

(הציפויים) אינם רק תוספת של חומרים תלת-ממדיים, המאפשרים בסיסיים של תאי דלק בעלי ביצועים גבוהים ואלקטרוליטים.ממסרטים מתכת אציליים ועד לחומרים מתקדמים של פולימרים ושני ממדים, ציפויים של טיפול בקורטוזיה, שיתוק, מוליכות ועמידותק - כל הכרחי עבור תעשיית הדלק המסחרית של החברה מתפתחת במהירות עם ננוור, ריבוי, ומהירות גבוהה באמצעות בדיקות מימן, ככל שהביקוש של מחזור חיים של אנרגיה ירוקה, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך, כך שעדיין, כך, כך גם כן, כך, כך גם כן, כך, כך, כך גם כן, כך גם כן, כך, כך גם כן, כך שעדיין, כך,