超声波喷涂极低负载铱层于钛基PTL
超声波喷涂极低负载铱层于钛基PTL —— 构建多功能界面提升PEMWE性能
质子交换膜水电解（PEMWE）凭借制氢纯度高、响应速度快、适配可再生能源波动等优势，成为绿氢规模化制备的核心技术。然而，其阳极氧析出反应（OER）动力学缓慢，需依赖贵金属铱（Ir）基催化剂，且钛基多孔传输层（PTL）在强氧化、高电位工况下易生成钝化层，导致界面阻抗攀升、性能衰减，同时高昂的铱用量严重制约产业降本增效。采用超声波喷涂技术在钛基PTL表面构筑极低负载铱层，精准构建集催化、导电、抗腐于一体的多功能界面，成为突破PEMWE性能与成本瓶颈的关键路径。
钛基PTL因导电性佳、机械强度高、耐酸性腐蚀，成为PEMWE阳极的主流传质载体，但在阳极高电位（>1.6 V vs RHE）与强氧化环境中，钛表面会自发形成非导电的TiOₓ钝化膜，大幅增加电极与催化层间的接触电阻，加剧电池欧姆损耗，降低能量转换效率。传统解决方案依赖高负载贵金属（Ir、Pt等）涂层保护PTL，商业装置铱载量常超1 mg·cm⁻²，虽能抑制钝化，但资源稀缺性与高成本让PEMWE产业化步履维艰。如何在极低铱负载下，同时实现界面阻抗降低、催化活性提升与结构稳定性增强，是行业亟待攻克的核心难题。
超声波喷涂技术凭借精准雾化与可控沉积特性，为极低负载铱层的高效制备提供了理想方案。该技术通过高频超声波振动，将铱基催化剂浆料雾化为微米级均匀液滴，非接触式喷涂于钛基PTL表面，可精准调控涂层厚度、微观结构与铱负载量。相较于传统喷涂、溅射等工艺，超声波喷涂能有效避免催化剂团聚、涂层厚薄不均、基材孔隙堵塞等问题，在0.025-0.1 mg·cm⁻²的极低铱负载区间，仍可形成连续、致密、均匀的超薄铱层。这种精密涂覆方式让铱原子充分暴露活性位点，催化剂利用率提升至90%以上，远高于传统工艺的30%-50%，为“低负载、高性能”目标提供了工艺支撑。
极低负载铱层修饰钛基PTL后，可构建兼具多重功能的优化界面，从多维度提升PEMWE综合性能。其一，抗钝化与导电功能：连续超薄铱层可隔绝钛基材与强氧化电解液接触，从源头抑制TiOₓ钝化层生成，将界面接触电阻降低60%以上，显著减少欧姆过电位。其二，辅助催化功能：铱层本身具备优异的OER催化活性，可作为“超薄活性层”与传统阳极催化层协同作用，拓宽反应三相界面，加速水分解与氧析出过程，降低反应动力学过电位。其三，传质优化功能：超声波喷涂制备的铱层孔隙结构均匀、表面粗糙度适中，既保障水的高效输送与氧气的快速脱附，又避免传统厚涂层导致的传质阻力增大问题，提升高电流密度下的稳定性。
实验数据证实，当钛基PTL表面铱负载量仅为0.025 mg·cm⁻²时，经超声波喷涂修饰的电极，其界面阻抗与电池性能可达到传统高负载（1 mg·cm⁻²）电极的同等水平。在1.9 V工作电压下，电解槽电流密度可达3 A·cm⁻²以上，且在1 A·cm⁻²恒流稳定性测试中，可稳定运行超300小时无明显性能衰减。与未修饰钛基PTL相比，多功能界面使PEMWE电池电压降低30-50 mV，能量转换效率提升5%-8%，同时铱用量减少超40倍，直接将催化剂成本降低70%以上，实现了性能与经济性的双重突破。
从产业化视角看，超声波喷涂技术具备良好的规模化适配性，可集成卷对卷连续生产系统，满足宽幅钛基PTL的高速、稳定涂覆需求。该工艺对浆料兼容性强，适配水基、醇基等多种溶剂体系，且无高压气流冲击，避免钛基材变形与膜损伤，保障批次产品一致性。随着低铱催化剂体系与界面工程技术的深度融合，超声波喷涂极低负载铱层修饰钛基PTL的技术方案，将进一步推动PEMWE在绿氢制备、大规模储能等领域的商业化应用，为全球能源转型与“双碳”目标实现提供关键技术支撑。
未来，该技术的研究方向将聚焦于三方面：一是开发铱基单原子、合金化催化剂，进一步降低铱负载并提升本征活性；二是优化超声波喷涂工艺参数，精准调控铱层微观形貌与界面结合力；三是探究多功能界面在长期工况下的衰减机制，通过界面结构设计延长电极使用寿命。通过技术迭代与创新，持续突破PEMWE性能与成本瓶颈，助力绿氢产业迈向高效、低成本、规模化发展新阶段。
关于驰飞
驰飞的解决方案是环保、高效和高度可靠的，可大幅减少过量喷涂，节省原材料，并提高均一性、转移效率、均匀性和减少排放。为企业提供围绕功能涂层的全套解决方案及长期技术支持，保证客户涂层稳定量产；针对特殊器械涂层需求，提供涂层定制研发服务；提供各类涂层代工服务。
杭州驰飞是超声镀膜系统开发商和制造商，产品主要应用于燃料电池质子交换膜喷涂、薄膜太阳能电池、钙钛矿、微电子、半导体、 纳米新材料、玻璃镀膜、 生物医疗、纺织品等领域。
