超声喷涂Pt 基催化剂
超声喷涂Pt 基催化剂 – 催化剂浆料雾化 – 驰飞超声波喷涂
超声喷涂是一种利用超声波振动能量将含Pt基催化剂的液体浆料（如Pt/C、PtRu/C分散液）雾化成微米级均匀液滴，再通过气流精准沉积到载体（如碳纸、阴离子交换膜）表面，形成高分散催化剂层的制备技术。其核心优势在于雾化均匀性高、液滴粒径可控（通常1-10μm）、涂层厚度精准（纳米到微米级），且对催化剂颗粒损伤小，能最大化保留Pt基催化剂的活性位点，尤其适配阴离子交换膜燃料电池（AEMFC）膜电极组件（MEA）中阳极催化剂层的制备，与现在“推进膜电极一体化设计、提升Pt基催化剂实际性能”的需求高度契合。
一、超声喷涂适配Pt基催化剂的核心优势
1. 解决“活性位点暴露不足”问题
传统浸渍法或刮涂法易导致Pt基催化剂颗粒团聚（尤其低Pt载量场景），而超声喷涂的高频振动（通常10-180kHz）能将催化剂浆料雾化成微小液滴，使Pt纳米颗粒（或Pt单原子、Pt₆团簇）在载体表面均匀分散，减少团聚现象。例如，对Pt载量仅0.009mg·cm⁻²的PmPt@IrPd/C催化剂，超声喷涂可实现其在碳纸上的均匀覆盖，活性位点暴露率较刮涂法提升30%以上，直接助力AEMFC峰值功率密度突破1.2W·cm⁻²。
2. 精准控制“低Pt载量与涂层连续性平衡”
“降低Pt载量是控制AEMFC成本的关键”，但低载量易导致催化剂层断裂、传质通道堵塞。超声喷涂可通过调节浆料浓度（如0.1-5mg/mL）、喷涂流量（0.1-5mL/min）、喷头移动速度，在保证涂层连续无裂缝的同时，将Pt载量精准控制在0.005-0.1mg·cm⁻²范围。
3. 兼容“多元Pt基催化剂体系”
无论是的PtRu合金、Ru@Pt核壳结构，还是Pt单原子催化剂（SACs），超声喷涂均能适配其浆料特性：对高粘度的合金催化剂浆料（如含离聚物的PtRu/C分散液），可通过提升超声功率（50-300W）保证雾化效果；对易团聚的Pt单原子浆料，可结合预超声分散+喷涂中实时搅拌，避免单原子聚集，维持其“低配位活性位点”优势。
二、在AEMFC MEA制备中的关键应用
超声喷涂的核心价值体现在“催化剂层-膜-扩散层”的三相界面优化：
– 阳极催化剂层制备：将Pt基催化剂浆料（含离聚物、溶剂）超声喷涂到阴离子交换膜表面，形成厚度5-20μm的均匀涂层，离聚物与催化剂颗粒的混合更均匀，减少“离子传导死区”，使碱性HOR中OH⁻的传输阻力降低20-40%，缓解中“碱性HOR动力学缓慢”的问题。
– 批量生产适配性：相较于真空溅射等高端技术，超声喷涂设备成本低、效率高（单批次可制备100+片MEA），且涂层重复性好（误差<5%），符合AEMFC产业化中“成本控制与性能稳定性”的双重需求，尤其适配PtRu/C等常规高活性催化剂的规模化应用。
三、工艺优化方向与挑战
1. 需匹配“碱性环境稳定性需求”
对于“碱性介质中碳载体腐蚀、Pt溶解是稳定性瓶颈”，超声喷涂可通过优化涂层致密性（如多层薄涂替代单层厚涂）减少电解液渗透，降低碳载体腐蚀；但需进一步研究“喷涂参数-涂层微观结构-稳定性”的关联，例如：增加超声频率可细化液滴，提升涂层致密度，但可能导致孔隙率下降，需通过多变量调控平衡。
2. 适配“非贵金属替代催化剂”
超声喷涂需解决Ni基催化剂浆料易氧化的问题（如在惰性气氛下喷涂），同时通过精准控厚避免Ni颗粒暴露导致的高电位溶解，为非贵金属催化剂的实际应用提供工艺支撑。
总结
超声喷涂技术通过“高分散性、精准控载、工艺兼容”三大优势，成为连接Pt基催化剂材料研发与AEMFC器件应用的关键桥梁——既能最大化发挥各类高性能Pt基催化剂（如PmPt@IrPd/C、PtRu/C）的活性，又能满足“低载量、低成本、规模化”的产业化需求，是碱性HOR领域从“实验室性能”走向“实际应用”的重要工艺支撑。
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