촉매막 제조에 초음파 분무 스프레이 기술 연구 및 응용

고주파 진동 정밀 분무 메커니즘을 기반으로 하는 초음파 분무 스프레이는 균일하고 낮은-운동 에너지-미세 액적을 생성할 수 있어 재료 활용률이 90%를 초과하는 매우 얇고 매우 일관된 촉매층의 증착을 제어할 수 있습니다. 이 기술은 양성자 교환막 연료전지, 수소 생산을 위한 물 전기분해, 탄소 포집 촉매막, 광촉매 분리막, 가스 정화 촉매막 등의 응용 분야에서 실험실 연구에서 산업적 대량 생산으로 점차 전환되고 있습니다. 이 기사에서는 촉매막 준비를 위한 초음파 분무 분무의 기본 원리, 기술적 장점, 주류 응용 시나리오, 기존 기술 병목 현상 및 향후 개발 방향을 설명하고 고성능 촉매막의 대규모 준비를 위한 프로세스 참조를 제공합니다.-고성능-

1.촉매막 제조를 위한 초음파 분무분무의 기본 원리 및 시스템 구성

1.1 미립화막 형성 메커니즘

초음파 노즐에는 압전 세라믹 변환기가 통합되어 있어 고주파 전기 신호(20~120kHz)를 -고주파 기계적 진동으로 변환합니다.- 이러한 진동은 노즐 단면의 액막에 전달되어 주기적인 모세관파를 자극합니다. 진동 에너지가 액체 표면 장력 임계값을 초과하면 액체 필름이 분해되어 1~50μm의 좁은 분포의 미세{6}}방울로 분산됩니다. 소량의 저압-운반 가스가 액적 궤적을 방향적으로 제한하여 낮은-운동-에너지 액적이 양성자 교환막, 다공성 세라믹, 카본 페이퍼 및 폴리머 분리막과 같은 기판에 원활하게 안착되도록 합니다. 층-별-층 확산 및 용매 증발이 응고되어 연속적이고 균일한 촉매층을 형성합니다. 전체 공정은 높은-압력 영향 없이 수행되어 "연착륙 필름 형성"을 달성하고 기판 변형, 미세기공 막힘 및 촉매 반발 폐기물을 방지합니다.

 

성막-공정에서는 슬러리 유속, 초음파 주파수, 노즐 이동 속도, 기판 가열 온도, 코팅층 수, 스프레이 간격 등 6가지 매개변수를 통해 촉매층 두께, 로딩 및 다공성을 정밀하게 제어할 수 있습니다. 이를 통해 나노 규모의 초박형 촉매 필름을 제조하고 다층- 구배 기공 구조 촉매층을 구성할 수 있습니다.

 

1.2 시스템 구성 촉매 필름을 위한 완전한 초음파 분무 생산 라인에는 초음파 분무 노즐, 고정밀 마이크로-액체 공급 펌프, XYZ 3{3}}축 모션 플랫폼, 항온 가열 작업대, 밀봉된 먼지 제거 챔버, 가스 소스 압력 조절 모듈, PLC 폐쇄 루프 제어 시스템 및 용매 회수 장치가 포함됩니다. 실험실 모델은 데스크톱 소규모-규모 장치인 반면, 대량 생산 라인은 다중-노즐 배열과 롤{8}}투{9}}연속 코팅 구조로 구성할 수 있어 소규모 샘플 프로토타이핑부터 대면적 연속 롤 생산에 이르기까지 모든 작업에 적합합니다.

 

2. 촉매막 제조를 위한 초음파 분무 스프레이의 장점

2.1 탁월한 촉매층 균일성과 크게 향상된 활성 부위 활용도

초음파 분무는 입자 크기 분포가 좁은 액적을 생성하여 촉매 나노입자 침강 및 응집과 커피 링 효과를 효과적으로 억제합니다. 촉매층 두께 편차를 ±5% 이내로 제어할 수 있어 단위 면적당 촉매 로딩의 일관성이 높습니다. 활성 구성요소가 완전히 노출되면 방해받지 않는 연속적인 가스-액체-고체 3상-반응 인터페이스가 생성되어 전기촉매 반응의 과전위가 크게 감소됩니다. 동일한 양의 귀금속을 사용하면 촉매 활성이 10%~20% 증가하므로 초저백금 및 초저이리듐 함량의 촉매막 제조에 특히 적합합니다.

 

2.2 귀금속 소재의 활용도가 매우 높아 생산 비용이 절감됩니다.

기존의 공압 스프레이는 과도한 스프레이 손실로 인해 백금, 이리듐, 루테늄과 같은 귀금속 슬러리가 크게 낭비되는 문제가 발생했습니다. 초음파 분사는 강력한 방향성 증착 특성을 나타내어 재료 활용률이 90%를 초과합니다. 기존 공정에 비해 귀금속 소모품을 30% 이상 절약할 수 있어 백금족 금속 부족으로 인한 비용 압박을 크게 완화할 수 있습니다. 이는 저-부하 멤브레인 전극. 2.3의 상용화에서 비용 절감을 위한 핵심 경로입니다. 약한 증착으로 깨지기 쉬운 기판을 보호하고 여러 멤브레인 기판에 적용 가능

 

낮은 액적 속도와 낮은 충격 운동 에너지는 분사 과정에서 양성자 교환막의 팽윤 및 천공, 다공성 세라믹막의 미세 기공 붕괴 또는 고분자 분리막의 변형 손상을 방지합니다. Nafion 양성자 교환막, 음이온 교환막 등 유연한 필름의 단면 및 양면에 모두 코팅할 수 있으며, 카본지, 니켈 폼, 벌집형 세라믹, PVDF 한외여과막, 티타늄- 기반 다공성 지지체 등 불규칙한 모양의 다공성 기판에 촉매층을 제조하는 데에도 사용할 수 있어 매우 강력한 기판 호환성을 보여줍니다.

 

2.4 높은 공정 제어성, 경사 구조에 적응 가능 및 맞춤형 초박형 복합 촉매 멤브레인

분할된 가변 매개변수 분사를 통해 표면과 내부 층의 다공성이 서로 다른 구배 촉매막을 제조하여 반응물 ​​질량 전달 및 가스 탈착 기능을 최적화할 수 있습니다. 단일 멤브레인 층의 두께는 수백 나노미터에서 수 마이크로미터까지 정밀하게 제어할 수 있습니다. 다{2}}층 교대 스프레이는 이중-기능성 복합 촉매 코팅을 구성하여 전기 분해, 광촉매 및 막 분리와 같은 여러 시나리오의 구조 설계 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 이 공정은 대량 생산 시 우수한 반복성과 강력한 안정성을 갖추고 있습니다.

 

2.5 환경친화적이고-오염이 적으며 환경 친화적인 운영입니다. 고압-고압-유량 압축 공기가 필요하지 않으므로 유기 용제 증발이 줄어듭니다. 함께 제공되는 용제 회수 시스템은 슬러리의 폐쇄형-루프 재활용을 가능하게 하며, 폐가스와 폐액의 배출량은 기존 분사 공정보다 적으며, 이는 새로운 화학 물질에 대한 친환경 생산 표준을 충족합니다.

 

균일한 필름 형성, 높은 재료 활용도, 기판 손상 없음, 정밀한 두께 제어 등의 핵심 장점을 갖춘 초음파 분무 스프레이는 기존 촉매막 준비 공정의 고유한 결함을 극복합니다. 이는 미세 구조, 로딩 정확도 및 비용 제어를 위한 고성능 촉매막의 핵심 요구 사항을 완벽하게 충족하며 현재 수소 에너지 전기촉매막 전극을 위한 주류 준비 기술이 되었습니다. 또한 탄소전환, 수처리, 폐가스처리, 신에너지저장 등 촉매막 분야에도 빠르게 침투하고 있다. 장비 산업화가 성숙해지고 프로세스 시스템이 표준화됨에 따라 초음파 분무 분무는 필연적으로 실험실 연구에서 다양한 촉매 막 재료를 저비용, 대규모-저비용, 대규모-상업 대량 생산으로 추진하여 이중-탄소 목표에 따라 새로운 에너지 및 환경 촉매 산업의 고품질 개발을 위한 핵심 프로세스 지원을 제공합니다.-