Badania i zastosowanie technologii natryskiwania ultradźwiękowego w przygotowaniu filmu katalitycznego

Ultradźwiękowe natryskiwanie atomizujące, wykorzystujące precyzyjny mechanizm atomizacji wibracji o wysokiej-częstotliwości, może generować jednolite mikrokropelki o niskiej-kinetycznej-energii, umożliwiając kontrolowane osadzanie ultracienkich, bardzo spójnych warstw katalizatora przy stopniu wykorzystania materiału przekraczającym 90%. Technologia ta stopniowo przechodzi od badań laboratoryjnych do masowej produkcji przemysłowej w zastosowaniach takich jak ogniwa paliwowe z membraną do wymiany protonów, elektroliza wody do produkcji wodoru, membrany katalizatorów wychwytywania dwutlenku węgla, membrany fotokatalityczne do separacji i membrany katalizatorów do oczyszczania gazu. W tym artykule wyjaśniono podstawowe zasady, zalety technologiczne, scenariusze głównych zastosowań, istniejące wąskie gardła technologiczne i przyszłe kierunki rozwoju ultradźwiękowego natryskiwania atomizującego do przygotowania membran katalizatora, zapewniając odniesienie do procesu w-stosowaniu na dużą skalę-wysokowydajnych membran katalizatorów.

1.Podstawowe zasady i skład systemu ultradźwiękowego natryskiwania atomizującego w celu przygotowania filmu katalitycznego

1.1 Mechanizm tworzenia filmu atomizującego

Dysza ultradźwiękowa zawiera piezoelektryczny przetwornik ceramiczny, który przetwarza-sygnały elektryczne o wysokiej częstotliwości (20–120 kHz) na wibracje mechaniczne o wysokiej-częstotliwości. Wibracje te przenoszone są na warstwę cieczy na powierzchni czołowej dyszy, wywołując okresowe fale kapilarne. Kiedy energia wibracji przekracza próg napięcia powierzchniowego cieczy, warstwa cieczy rozpada się i rozprasza na wąsko rozmieszczone mikro-kropelki o wielkości 1–50 μm. Niewielka ilość gazu nośnego o niskim-ciśnieniu ogranicza kierunkowo trajektorię kropel, umożliwiając kropelkom o niskiej-kinetycznej-energii płynne osadzanie się na podłożach, takich jak membrany do wymiany protonów, porowata ceramika, kalka i polimerowe membrany separacyjne. Nakładanie-warstwa po warstwie i odparowanie rozpuszczalnika zestalają się, tworząc ciągłą i jednolitą warstwę katalityczną. Cały proces przebiega bez uderzenia-wysokiego ciśnienia, co pozwala uzyskać „tworzenie miękkiej warstwy lądowania” i uniknąć deformacji podłoża, blokowania mikroporów i odpadów z odbicia katalizatora.

 

Proces tworzenia filmu- pozwala na precyzyjną kontrolę grubości warstwy katalizatora, obciążenia i porowatości za pomocą sześciu parametrów: natężenia przepływu zawiesiny, częstotliwości ultradźwiękowej, prędkości ruchu dyszy, temperatury ogrzewania podłoża, liczby warstw powłoki i odstępu natryskiwania. Umożliwia to przygotowanie ultracienkich warstw katalizatora w skali nano i konstrukcję wielo-warstw katalizatora o gradientowej strukturze porów.

 

1.2 Skład systemu Kompletna linia do produkcji natryskiwania ultradźwiękowego folii katalizatora obejmuje: ultradźwiękowe dysze atomizujące, wysoce-precyzyjne mikro-pompy dostarczające ciecz, trójosiową-platformę ruchu XYZ, stół roboczy do ogrzewania w stałej temperaturze, szczelną komorę usuwania pyłu, moduł regulacji ciśnienia źródła gazu, system sterowania w zamkniętej-pętli PLC i urządzenie do odzyskiwania rozpuszczalnika. Model laboratoryjny to urządzenie stacjonarne o małej-skali, podczas gdy linię do masowej produkcji można skonfigurować z układami wielu-dysz i strukturami ciągłego powlekania z walcowania-na-walcowanie, odpowiednimi do wszystkiego, od prototypowania małych próbek po ciągłą produkcję rolek-na dużych powierzchniach.

 

2. Zalety natryskiwania ultradźwiękowego w celu przygotowania membrany katalitycznej

2.1 Doskonała jednorodność warstwy katalitycznej i znacznie lepsze wykorzystanie miejsca aktywnego

Atomizacja ultradźwiękowa wytwarza kropelki o wąskim rozkładzie wielkości cząstek, skutecznie tłumiąc sedymentację i aglomerację nanocząstek katalizatora, a także efekt pierścienia kawy. Odchylenie grubości warstwy katalitycznej można kontrolować w zakresie ± 5%, co zapewnia wysoką spójność obciążenia katalizatora na jednostkę powierzchni. Pełna ekspozycja składników aktywnych tworzy ciągłą i niezakłóconą trójfazową granicę reakcji gaz-ciecz-stałą-, znacznie zmniejszając nadpotencjał reakcji elektrokatalitycznej. Aktywność katalityczna wzrasta o 10–20% przy tej samej ilości metali szlachetnych, co czyni go szczególnie odpowiednim do przygotowywania membran katalitycznych z ultra-niską zawartością platyny i ultra{10}}irydu.

 

2.2 Niezwykle wysokie wykorzystanie metali szlachetnych, zmniejszenie kosztów produkcji

Tradycyjne natryskiwanie pneumatyczne wiąże się z poważnymi stratami w wyniku nadmiernego natrysku, co powoduje znaczne straty zawiesin metali szlachetnych, takich jak platyna, iryd i ruten. Natryskiwanie ultradźwiękowe wykazuje silne właściwości osadzania kierunkowego, osiągając stopień wykorzystania materiału przekraczający 90%. W porównaniu z tradycyjnymi procesami pozwala zaoszczędzić ponad 30% materiałów eksploatacyjnych z metali szlachetnych, znacznie łagodząc presję kosztową spowodowaną niedoborem metali z grupy platynowców. Jest to kluczowa droga do redukcji kosztów komercjalizacji elektrod membranowych o niskim-obciążeniu. 2.3. Łagodne osadzanie chroni delikatne podłoża, można je dostosować do podłoży wielomembranowych

 

Niska prędkość kropli i niska energia kinetyczna uderzenia zapobiegają powodowaniu przez proces natryskiwania pęcznienia i perforacji membran do wymiany protonów, zapadania się mikroporów porowatych membran ceramicznych lub uszkodzeń deformacyjnych membran oddzielających polimery. Można nim powlekać zarówno jednostronnie, jak i dwustronnie elastyczne folie, takie jak membrany do wymiany protonów i membrany anionowymienne Nafion, a także można go stosować do przygotowywania warstw katalitycznych na podłożach o nieregularnym kształcie i porowatych, takich jak kalka, pianka niklowa, ceramika o strukturze plastra miodu, membrany ultrafiltracyjne PVDF i porowate nośniki na bazie tytanu-, wykazując wyjątkowo dużą kompatybilność z podłożem.

 

2.4 Wysoka sterowalność procesu, możliwość dostosowania do struktur gradientowych i dostosowane do indywidualnych potrzeb ultracienkie kompozytowe membrany katalityczne

Dzięki segmentowemu natryskiwaniu o zmiennych parametrach można przygotować gradientowe membrany katalityczne o różnej porowatości w warstwach powierzchniowych i wewnętrznych, optymalizując transfer masy reagentów i zdolność desorpcji gazu. Grubość pojedynczej warstwy membrany można precyzyjnie kontrolować w zakresie od setek nanometrów do kilku mikrometrów. Wielowarstwowe-natryskiwanie naprzemienne umożliwia utworzenie dwu-funkcjonalnych, kompozytowych powłok katalitycznych, spełniających wymagania projektu strukturalnego wielu scenariuszy, takich jak elektroliza, fotokataliza i separacja membranowa. Proces ma dobrą powtarzalność i dużą stabilność w produkcji masowej.

 

2.5 Ekologia i niskie-zanieczyszczenia, działanie przyjazne dla środowiska. Nie jest wymagane sprężone powietrze pod wysokim-ciśnieniem i{4}}wysokim przepływem, co powoduje mniejsze parowanie rozpuszczalnika organicznego. Towarzyszący system odzyskiwania rozpuszczalników umożliwia recykling gnojowicy w-pętli zamkniętej, a emisje gazów odlotowych i cieczy odpadowych są mniejsze niż w przypadku tradycyjnych procesów natryskiwania, co spełnia standardy ekologicznej produkcji nowych materiałów chemicznych.

 

Natryskiwanie ultradźwiękowe, z podstawowymi zaletami, takimi jak równomierne tworzenie filmu, wysokie wykorzystanie materiału, brak uszkodzeń podłoża i precyzyjna kontrola grubości, przezwycięża nieodłączne wady tradycyjnych procesów katalitycznego przygotowania membran. Doskonale spełnia podstawowe wymagania-wysokosprawnych membran katalitycznych w zakresie mikrostruktury, dokładności ładowania i kontroli kosztów, a obecnie stała się główną technologią przygotowania elektrokatalitycznych elektrod membranowych wykorzystujących energię wodorową. Szybko penetruje także obszary membran katalitycznych w zakresie konwersji węgla, uzdatniania wody, oczyszczania gazów odlotowych i nowych magazynów energii. Wraz z postępem industrializacji sprzętu i standaryzacją systemów procesowych, ultradźwiękowe rozpylanie atomizujące nieuchronnie doprowadzi do rozwoju różnych materiałów membran katalitycznych od badań laboratoryjnych do taniej-komercyjnej-masowej produkcji na dużą-skalę, zapewniając kluczowe wsparcie procesowe dla-wysokiej jakości rozwoju nowego przemysłu katalizy energetycznej i środowiskowej w ramach podwójnych-celów węglowych.