Ultraskaņas izsmidzināšanas izsmidzināšanas tehnoloģijas izpēte un pielietošana katalītiskās plēves sagatavošanā

Ultraskaņas izsmidzināšana, paļaujoties uz augstas-frekvences vibrācijas precīzas izsmidzināšanas mehānismu, var radīt vienmērīgus, zemas-kinētiskās-enerģijas mikropilienus, ļaujot kontrolēt ultraplānu, ļoti konsekventu katalizatora slāņu nogulsnēšanos ar materiāla izmantošanas līmeni, kas pārsniedz 90%. Šī tehnoloģija pakāpeniski pāriet no laboratorijas pētījumiem uz rūpniecisku masveida ražošanu tādos lietojumos kā protonu apmaiņas membrānas kurināmā elementi, ūdens elektrolīze ūdeņraža ražošanai, oglekļa uztveršanas katalizatora membrānas, fotokatalītiskās atdalīšanas membrānas un gāzes attīrīšanas katalizatora membrānas. Šajā rakstā ir izskaidroti katalizatora membrānas sagatavošanas ultraskaņas izsmidzināšanas pamatprincipi, tehnoloģiskās priekšrocības, galvenie pielietojuma scenāriji, esošās tehnoloģiskās vājās vietas un turpmākās attīstības virzieni, sniedzot atsauci uz procesu liela mēroga-augstas veiktspējas-katalizatora membrānu sagatavošanai.

1.Ultraskaņas izsmidzināšanas katalītiskās plēves sagatavošanas pamatprincipi un sistēmas sastāvs

1.1. Atomizācijas plēves veidošanās mehānisms

Ultraskaņas sprauslā ir iestrādāts pjezoelektriskais keramiskais devējs, kas augstas{0}}frekvences elektriskos signālus (20–120 kHz) pārvērš augstas-frekvences mehāniskās vibrācijās. Šīs vibrācijas tiek pārraidītas uz šķidruma plēvi sprauslas gala virsmā, aizraujoši periodiski kapilāri viļņi. Kad vibrācijas enerģija pārsniedz šķidruma virsmas spraiguma slieksni, šķidruma plēve sadalās un izkliedējas šauri izkliedētos 1–50 μm mikro{6} pilieniņos. Neliels daudzums zema spiediena nesējgāzes virziena ierobežo pilienu trajektoriju, ļaujot zemas-kinētiskās-enerģijas pilieniem vienmērīgi nosēsties uz tādiem substrātiem kā protonu apmaiņas membrānas, poraina keramika, oglekļa papīrs un polimēru atdalīšanas membrānas. Slānis-pa-slāņa izkliedēšana un šķīdinātāja iztvaikošana sacietē, veidojot nepārtrauktu un vienmērīgu katalītisko slāni. Viss process tiek veikts bez liela spiediena ietekmes, panākot "mīkstas nosēšanās plēves veidošanos" un izvairoties no substrāta deformācijas, mikroporu bloķēšanas un katalizatora atsitiena.

 

Plēves -veidošanas process ļauj precīzi kontrolēt katalizatora slāņa biezumu, slodzi un porainību, izmantojot sešus parametrus: suspensijas plūsmas ātrumu, ultraskaņas frekvenci, sprauslas kustības ātrumu, substrāta sildīšanas temperatūru, pārklājuma slāņu skaitu un izsmidzināšanas atstatumu. Tas ļauj sagatavot nanomēroga īpaši plānas katalizatora plēves un konstruēt daudzslāņu gradienta poru struktūras katalizatora slāņus.

 

1.2. Sistēmas sastāvs Pilnīga ultraskaņas izsmidzināšanas ražošanas līnija katalizatora plēvēm ietver: ultraskaņas izsmidzināšanas sprauslas, augstas -precizitātes mikro-šķidruma padeves sūkņus, XYZ trīs-ass kustību platformu, pastāvīgas temperatūras sildīšanas darbgaldu, noslēgtu putekļu noņemšanas kameru, gāzes avota spiediena regulēšanas moduli, PLC aizvērtu vadības ierīci{4}. Laboratorijas modelis ir darbvirsmas maza mēroga-ierīce, savukārt masveida ražošanas līniju var konfigurēt ar vairāku-sprauslu blokiem un ruļļu-uz-pārklājuma konstrukcijām, kas ir piemērotas visam, sākot no mazu paraugu prototipu veidošanas līdz liela{10}}platības nepārtrauktu ruļļu ražošanai.

 

2. Ultraskaņas izsmidzināšanas priekšrocības katalītiskās membrānas sagatavošanai

2.1. Izcila katalītiskā slāņa viendabīgums un ievērojami uzlabota aktīvās vietnes izmantošana

Ultraskaņas izsmidzināšana rada pilienus ar šauru daļiņu izmēru sadalījumu, efektīvi nomācot katalizatora nanodaļiņu sedimentāciju un aglomerāciju, kā arī kafijas gredzena efektu. Katalītiskā slāņa biezuma novirzi var kontrolēt ±5% robežās, tādējādi nodrošinot augstu katalizatora slodzes konsekvenci uz laukuma vienību. Pilnīga aktīvo komponentu iedarbība rada nepārtrauktu un netraucētu gāzes -šķidrumu-cietu trīs{5} fāzu reakcijas saskarni, ievērojami samazinot elektrokatalītiskās reakcijas potenciālu. Ar tādu pašu dārgmetālu daudzumu katalītiskā aktivitāte tiek palielināta par 10%–20%, tādēļ tā ir īpaši piemērota katalītisko membrānu sagatavošanai ar īpaši-zemu platīna un īpaši-zemu irīdija slodzi.

 

2.2. Ļoti augsts dārgmetālu materiālu izmantojums, samazinot ražošanas izmaksas

Tradicionālajai pneimatiskajai izsmidzināšanai ir nopietni pārsmidzināšanas zudumi, kā rezultātā tiek ievērojami izlietoti dārgmetālu, piemēram, platīna, irīdija un rutēnija, šķidrumi. Ultraskaņas izsmidzināšanai ir spēcīgas virziena nogulsnēšanās īpašības, panākot materiāla izmantošanas līmeni, kas pārsniedz 90%. Salīdzinot ar tradicionālajiem procesiem, tas var ietaupīt vairāk nekā 30% dārgmetālu palīgmateriālu, ievērojami mazinot izmaksu spiedienu, ko rada platīna grupas metālu trūkums. Tas ir galvenais veids, kā samazināt izmaksas, lai komercializētu zemas-noslodzes membrānas elektrodus. 2.3 Viegla nogulsnēšanās aizsargā trauslus substrātus, pielāgojami vairākiem membrānas substrātiem

 

Zemais pilienu ātrums un zemā trieciena kinētiskā enerģija neļauj izsmidzināšanas procesam izraisīt protonu apmaiņas membrānu pietūkumu un perforāciju, porainu keramikas membrānu mikroporu sabrukšanu vai polimēru atdalīšanas membrānu deformācijas bojājumus. To var pārklāt gan uz elastīgu plēvju vienas, gan abām pusēm, piemēram, Nafion protonu apmaiņas membrānām un anjonu apmaiņas membrānām, kā arī to var izmantot, lai sagatavotu katalītiskos slāņus uz neregulāras formas un porainiem substrātiem, piemēram, oglekļa papīra, niķeļa putām, šūnveida keramikas, PVDF ultrafiltrācijas membrānām un īpaši izturīgiem titāna {1}balstiem.

 

2.4 Augsta procesa vadāmība, pielāgojama gradientu struktūrām un pielāgotas īpaši plānas kompozītmateriāla katalītiskās membrānas

Izmantojot segmentētu mainīgu parametru izsmidzināšanu, var sagatavot gradienta katalītiskās membrānas ar dažādu porainību virsmā un iekšējos slāņos, optimizējot reaģentu masas pārnesi un gāzes desorbcijas iespējas. Viena membrānas slāņa biezumu var precīzi kontrolēt no simtiem nanometru līdz vairākiem mikrometriem. Ar daudzslāņu mainīgu izsmidzināšanu var izveidot divējādus-funkcionālus, saliktus katalītiskos pārklājumus, kas atbilst vairāku scenāriju konstrukcijas prasībām, piemēram, elektrolīzei, fotokatalīzei un membrānas atdalīšanai. Procesam ir laba atkārtojamība un spēcīga stabilitāte masveida ražošanā.

 

2.5. Zaļš un zems-piesārņojums, videi draudzīga darbība. Nav nepieciešams augsts-spiediens, lielas-plūsmas saspiestais gaiss, kā rezultātā samazinās organisko šķīdinātāju iztvaikošana. Papildinātā šķīdinātāja reģenerācijas sistēma nodrošina vircas slēgto-ciklu otrreizējo pārstrādi, un izplūdes gāzu un atkritumu šķidruma emisijas ir mazākas nekā tradicionālajos izsmidzināšanas procesos, kas atbilst jauno ķīmisko materiālu zaļās ražošanas standartiem.

 

Ultraskaņas izsmidzināšana, kuras galvenās priekšrocības ir vienmērīga plēves veidošanās, augsta materiāla izmantošana, substrāta bojājums un precīza biezuma kontrole, novērš tradicionālo katalītiskās membrānas sagatavošanas procesu raksturīgos defektus. Tas lieliski atbilst augstas veiktspējas katalītisko membrānu pamatprasībām attiecībā uz mikrostruktūru, slodzes precizitāti un izmaksu kontroli, un tagad tā ir kļuvusi par galveno ūdeņraža enerģijas elektrokatalītisko membrānu elektrodu sagatavošanas tehnoloģiju. Tas arī ātri iekļūst oglekļa konversijas, ūdens attīrīšanas, izplūdes gāzu apstrādes un jaunas enerģijas uzglabāšanas katalītiskās membrānas laukos. Līdz ar iekārtu industrializācijas nobriešanu un procesu sistēmu standartizāciju, ultraskaņas izsmidzināšana neizbēgami virzīs dažādus katalītiskās membrānas materiālus no laboratorijas pētījumiem līdz zemu -izmaksu lielai- komerciālai masveida ražošanai, nodrošinot svarīgu procesu atbalstu augstas-kvalitatīvas jaunās enerģijas un vides katalīzes nozares attīstībai saskaņā ar diviem{7}}oglekļa mērķiem.