Istraživanje i primjena tehnologije raspršivanja ultrazvučne atomizacije u pripremi katalitičkog filma

Ultrazvučno raspršivanje, oslanjajući se na mehanizam preciznog atomizacije visoke{0}}vibracije, može generirati ujednačene,-kinetičke-mikrokapljice niske energije, omogućavajući kontrolirano taloženje ultratankih, visoko konzistentnih slojeva katalizatora sa stopom iskorištenja materijala većom od 90%. Ova tehnologija postupno prelazi iz laboratorijskih istraživanja u industrijsku masovnu proizvodnju u aplikacijama kao što su gorive ćelije s membranom za izmjenu protona, elektroliza vode za proizvodnju vodika, katalizatorske membrane za hvatanje ugljika, membrane za fotokatalitičko odvajanje i katalizatorske membrane za pročišćavanje plina. Ovaj članak razjašnjava osnovne principe, tehnološke prednosti, uobičajene scenarije primjene, postojeća tehnološka uska grla i buduće smjerove razvoja raspršivanja ultrazvučnom atomizacijom za pripremu membrane katalizatora, pružajući referencu procesa za -pripremu velikih-membrana katalizatora visokih performansi.

1.Osnovni principi i sastav sistema ultrazvučnog raspršivanja za pripremu katalitičkog filma

1.1 Mehanizam formiranja filma atomizacijom

Ultrazvučna mlaznica uključuje piezoelektrični keramički pretvarač, pretvarajući visoko-električne signale visoke frekvencije (20~120kHz) u visoko-mehaničke vibracije visoke frekvencije. Ove vibracije se prenose na tečni film na krajnjoj strani mlaznice, pobuđujući periodične kapilarne talase. Kada energija vibracije pređe prag površinske napetosti tečnosti, tečni film se razbija i raspršuje u usko raspoređene mikro-kapljice od 1~50 μm. Mala količina gasa nosača pod niskim{10}}pritiskom usmjereno ograničava putanju kapljice, omogućavajući kapljicama niske{11}}kinetičke-energije da se glatko talože na supstrate kao što su membrane za izmjenu protona, porozna keramika, karbonski papir i membrane za odvajanje polimera. Širenje-po{15}}sloj i isparavanje rastvarača se stvrdnjavaju da bi se formirao kontinuirani i ujednačeni katalitički sloj. Cijeli proces se odvija bez utjecaja visokog{17}}pritiska, postižući "formiranje filma mekog slijetanja" i izbjegavajući deformaciju supstrata, blokadu mikropora i otpad katalizatora.

 

Proces{0}}formiranja filma omogućava preciznu kontrolu debljine sloja katalizatora, opterećenja i poroznosti kroz šest parametara: brzinu protoka suspenzije, ultrazvučnu frekvenciju, brzinu kretanja mlaznice, temperaturu zagrijavanja podloge, broj slojeva premaza i razmak prskanja. Ovo omogućava pripremu ultratankih filmova katalizatora u nanorazmjerima i konstrukciju slojeva katalizatora sa više-slojnim gradijentom strukture pora.

 

1.2 Sastav sistema Kompletna proizvodna linija za ultrazvučno raspršivanje za filmove katalizatora uključuje: ultrazvučne mlaznice za raspršivanje, visoko-precizne mikro-pumpe za dovod tekućine, XYZ tri-platformu za kretanje, zatvoreni radni sto za grijanje sa konstantnom temperaturom, zatvorenu komoru za uklanjanje prašine,-modul za regulaciju pritiska izvora plina, PLC sistem za regulaciju pritiska4} uređaj za oporavak. Laboratorijski model je stoni uređaj malog-razmjera, dok se linija za masovnu proizvodnju može konfigurirati s više-nizova mlaznica i strukturama kontinuiranog premaza od rola{8}}do-, pogodnih za sve, od izrade prototipa malih uzoraka do velike-proizvodnje kontinuiranih valjaka.

 

2. Prednosti ultrazvučnog raspršivanja za pripremu katalitičke membrane

2.1 Odlična uniformnost katalitičkog sloja i značajno poboljšana upotreba aktivne lokacije

Ultrazvučna atomizacija proizvodi kapljice sa uskom distribucijom veličine čestica, efikasno potiskujući sedimentaciju i aglomeraciju nanočestica katalizatora, kao i efekat prstena kafe. Devijacija debljine katalitičkog sloja može se kontrolisati unutar ±5%, što rezultira visokom konzistentnošću punjenja katalizatora po jedinici površine. Potpuno izlaganje aktivnim komponentama stvara neprekidan i nesmetan gas{3}}tečnost-čvrsta trofazna-fazna sučelja, značajno smanjujući prepotencijal elektrokatalitičke reakcije. Katalitička aktivnost je povećana za 10%~20% sa istom količinom plemenitih metala, što ga čini posebno pogodnim za pripremu katalitičkih membrana sa ultra-niskim sadržajem platine i ultra{10}}niskim sadržajem iridija.

 

2.2 Izuzetno visoka iskorištenost materijala od plemenitih metala, smanjenje troškova proizvodnje

Tradicionalno pneumatsko prskanje pati od velikog gubitka raspršivanja, što rezultira značajnim otpadom od plemenitih metala kao što su platina, iridijum i rutenijum. Ultrazvučno prskanje pokazuje snažne karakteristike usmjerenog taloženja, postižući stopu iskorištenja materijala veću od 90%. U poređenju s tradicionalnim procesima, može uštedjeti više od 30% potrošnog materijala plemenitih metala, značajno ublažavajući pritisak troškova uzrokovan nedostatkom metala platinske grupe. Ovo je ključni put za smanjenje troškova u komercijalizaciji membranskih elektroda sa malim{5}}opterećenjem. 2.3 Blago taloženje štiti lomljive podloge, prilagodljivo za više membranskih supstrata

 

Mala brzina kapljica i niska kinetička energija udara sprečavaju proces prskanja da izazove bubrenje i perforaciju membrana za izmjenu protona, kolaps mikropora poroznih keramičkih membrana ili oštećenje deformacije na membranama za odvajanje polimera. Može se premazati i na jednostranim i na dvostrukim stranama fleksibilnih filmova kao što su Nafion membrane za protonsku izmjenu i membrane za izmjenu anjona, a može se koristiti i za pripremu katalitičkih slojeva na nepravilno oblikovanim i poroznim podlogama kao što su karbonski papir, niklova pjena, keramika u obliku saća, PVDF ultrafiltraciona membrana, ekstremno jake membrane za basporo{1} kompatibilnost supstrata.

 

2.4 Visoka kontrola procesa, prilagodljiva gradijentnim strukturama i prilagođenim ultratankim kompozitnim katalitičkim membranama

Kroz raspršivanje segmentiranih varijabilnih parametara, mogu se pripremiti gradijentne katalitičke membrane s različitim poroznostima u površinskim i unutrašnjim slojevima, optimizirajući prijenos mase reaktanata i sposobnost desorpcije plina. Debljina jednog sloja membrane može se precizno kontrolisati od stotina nanometara do nekoliko mikrometara. Više-slojno naizmjenično prskanje može konstruirati dual-funkcionalne, kompozitne katalitičke prevlake, ispunjavajući zahtjeve strukturalnog dizajna za više scenarija kao što su elektroliza, fotokataliza i membransko odvajanje. Proces ima dobru ponovljivost i jaku stabilnost u masovnoj proizvodnji.

 

2.5 Zeleno i nisko{1}}zagađeno, ekološki prihvatljiv rad. Nije potreban komprimovani vazduh visokog -pritiska, visokog -toka, što rezultira manjim isparavanjem organskog rastvarača. Prateći sistem rekuperacije rastvarača omogućava zatvorenu{6}}petlju reciklažu tečnosti, a emisije otpadnog gasa i otpadne tečnosti su manje nego kod tradicionalnih procesa prskanja, što zadovoljava standarde zelene proizvodnje za nove hemijske materijale.

 

Ultrazvučno raspršivanje, sa svojim osnovnim prednostima ujednačenog formiranja filma, visoke iskorištenosti materijala, bez oštećenja podloge i preciznom kontrolom debljine, prevazilazi inherentne nedostatke tradicionalnih procesa pripreme katalitičkih membrana. Savršeno ispunjava osnovne zahtjeve katalitičkih membrana visokih{1}}performansi za mikrostrukturu, tačnost punjenja i kontrolu troškova, a sada je postala glavna tehnologija pripreme za elektrokatalitičke membranske elektrode sa energijom vodika. Također brzo prodire u polja katalitičke membrane konverzije ugljika, tretmana vode, tretmana otpadnih plinova i novog skladištenja energije. Sa sazrijevanjem industrijalizacije opreme i standardizacijom procesnih sistema, ultrazvučno raspršivanje će neizbježno pokrenuti različite materijale katalitičke membrane od laboratorijskih istraživanja do jeftine, velike-komercijalne masovne proizvodnje, pružajući ključnu podršku za procese visokog{6}}kvalitetnog razvoja nove industrije energije i okolišne katalize pod} dvostrukim ciljem{7}.