奥地利研究发现薄铂涂层可减少氢气设备金属使用量达 88%

奥地利维也纳科技大学的研究人员发现，使用更薄的铂涂层可以有效保护氢气生产中使用的元件。这一发现有潜力将这些保护层所需的贵金属用量减少约 88%。研究中考察了用于质子交换膜 (PEM) 水电解的铂涂层钛双极板。在研究的条件下，厚度仅为 24 纳米的涂层大部分保持完整，并在电化学应力后仍保持良好的电导率。这些发现指出了一种降低设备成本的可能途径。然而，研究人员警告说，最佳厚度取决于多种因素，包括涂层的制造方式及其表面覆盖的均匀性。 氢气设备为何需要铂 金属电解利用电力将水分解为氢气和氧气。在一个电极上，该过程产生氧气、带正电的氢离子（质子）和电子。质子穿过膜到达第二个电极，在那里与电子结合形成氢气。在这种环境中保持设备运行的难度超出了基本反应的预期。“电解过程创造了一个对许多金属元件有害的化学环境。金属可能会溶解，同时氧化层也可能形成，阻碍电流流动。”维也纳科技大学材料科学与技术研究所的赫尔穆特·里德尔-特拉根雷夫（Helmut Riedl-Tragenreif）解释道。

氢气设备的铂需求

“如果系统要长期运行，各个元件必须仔细匹配。双极板在这里扮演特别重要的角色，占总系统成本的高达 30%。” 这些板不仅在机械上支持设备，还传导电流，帮助运输水和气体。钛耐腐蚀性能良好，但其表面会形成氧化层，阻碍电流流动。薄铂涂层则能解决这一问题，在保护钛的同时有效传导电流。 薄涂层在测试中存活 维也纳科技大学团队系统地调查了该保护层需要多厚。

薄铂涂层的测试结果

经测试，厚度为 24 纳米的涂层在所测试的条件下已经足够，而厚度为 8 纳米的涂层则显示出明显问题。与目前工业中使用的 200 纳米涂层相比，成功的薄涂层代表了铂消耗潜在减少约 88% 的可能性。研究人员还检查了这些涂层在电化学应力后的耐受情况，而不仅仅是评估其初始性能。“我们使用高分辨率方法分析了涂层在电化学应力之前和之后的情况。特别重要的问题是涂层中是否会出现微观缺陷。”

里德尔-特拉根雷夫表示。 小缺陷可能加速损坏 铂层中的缺陷可能使下面的钛暴露于攻击之中。钛会氧化，并且在界面处可能形成小氧气泡，产生机械应力，进一步损害涂层。随着较大区域的脱落，更多的钛被暴露，损坏会加速。8 纳米的涂层显示出明显的这一过程迹象。经过电化学应力后，研究人员观察到较大的缺陷，并发现进入电解质的钛和铂离子数量显著增加。而 24 纳米的涂层则在所研究的条件下保持大部分完整，保持良好的导电性，并将金属离子的释放保持在非常低的水平。

薄铂涂层对氢气生产的影响

氢气生产过程中，铂的使用量对成本有重大影响。研究显示，薄铂涂层能有效降低贵金属需求，这不仅能减少生产成本，还能提高设备的耐用性。双极板的设计和材料选择对整体系统的性能至关重要，尤其在面对化学腐蚀的挑战时。这项研究的发现可能促进氢能技术的商业化，并推动更可持续的能源解决方案。