Kelebihan Teras Buih Nikel Mikroporous sebagai Lapisan Resapan (GDL/PTL) dalam Elektrolit AEM

I. Kelebihan Teras Buih Nikel Mikroporous sebagai Lapisan Resapan (GDL/PTL) dalam Elektrolit AEM

1. Kekonduksian Elektrik dan Elektron Cemerlang

- Kekonduksian intrinsik tinggi nikel logam; rangkaian tiga-dimensi yang saling berkaitan memastikan pengaliran elektron yang cekap dan rintangan sentuhan antara muka yang rendah.

- Bahan berasaskan karbon-yang unggul (mudah dianolisis dalam persekitaran beralkali) dan bahan berasaskan-titanium (kos tinggi); sangat-sesuai dengan persekitaran-beralkali dan berpotensi tinggi AEM.

2. Tiga-Struktur Liang-Dimensi Menerusi (Kelebihan Pemindahan Massa/Tindak Balas)

- Keliangan tinggi (90%~98%) + liang hierarki: makropori (pengusiran gas pantas), mesopores/mikropori (pengagihan air, tiga-antara muka fasa).

- Kawasan permukaan khusus yang sangat besar: menyediakan tapak yang lebih aktif untuk lekatan, meningkatkan penggunaan pemangkin.

- Kekuatan mekanikal yang baik dan fleksibiliti sederhana: muat tinggi semasa pemasangan mampatan, kurang terdedah kepada kerapuhan.

3. Kestabilan Alkali dan Sinergi Pemangkin

- Nikel mempamerkan rintangan kakisan dan kestabilan struktur di bawah kealkalian yang kuat dan suhu tinggi (50~80 darjah ) AEM. - Nikel sendiri mempunyai aktiviti pemangkin OER/HER yang lemah, yang secara sinergi meningkatkan kesannya dengan lapisan pemangkin.

4. Mesra Kos dan Proses

- Berbanding dengan salutan rasa titanium dan logam berharga, kos bahan mentah dan penyediaan adalah lebih rendah.

- Mudah untuk memotong, mengubah suai dan memuatkan pemangkin (elektrodeposisi, penyaduran tanpa elektro, salutan).

II. Mengapa antara muka PTL/MEA menjadi medan pertempuran teras untuk pengoptimuman?

Prestasi (voltan, ketumpatan arus, seumur hidup) elektrolisis AEM sangat bergantung pada antara muka. Kerugian terutamanya datang daripada: sentuhan ohmik, pengaktifan dan pemindahan jisim.

1. Sentuhan Antara Muka dan Kehilangan Ohmik (Paling Kritikal)

- Permukaan kasar dan liang tajam dalam buih nikel: mudah menembusi filem AEM, menyebabkan kepekatan tegasan setempat dan sentuhan tidak sekata.

- Saiz liang/kerataan buih nikel mikroliang yang tidak betul:

- Liang terlalu besar → Kawasan sentuhan kecil, rintangan sentuhan tinggi

- Liang terlalu kecil → Membran mudah tertanam dalam liang, kerosakan membran, pengaliran ion terhalang

- Arah pengoptimuman:

- Pengubahsuaian mikro/nano permukaan (lapisan serbuk, goresan, pengoksidaan) → Lebih licin, lebih sesuai

- Struktur liang kecerunan (mikro/mesopores dalam, makropori luar) → Mengimbangi sentuhan dan pemindahan jisim

2. Antara muka tiga-fasa (pepejal-cecair-gas) dan kinetik tindak balas

- Antara muka menentukan: Pengangkutan air, pengaliran OH⁻, desorpsi gelembung, penggunaan mangkin yang berkesan.

- Masalah:

- Kebolehbasahan antara muka yang lemah → Kekurangan air setempat, polarisasi pemindahan jisim

- Pengekalan gelembung → Meliputi tapak aktif, peningkatan mendadak dalam potensi berlebihan

- Ikatan lemah antara lapisan mangkin (CL) dan PTL → Rintangan tinggi, detasmen mangkin

- Kelebihan buih nikel: Liang tiga-dimensi boleh "terkunci dalam air" dan memudahkan detasmen gelembung yang cepat.

3. Kestabilan Antara Muka dan Jangka Hayat (Punca Utama-Degradasi Jangka Panjang)

- Antara muka mengalami interaksi bahan, tekanan, pembubaran dan degradasi ionomer yang paling teruk.

- Mod Kegagalan:

- PTL dan CL delaminasi/pelucutan

- Penipisan membran setempat, lubang jarum, litar pintas

- Pelarutan nikel mencemarkan membran/katod

- Pengoptimuman antara muka secara langsung meningkatkan ketahanan dan mengurangkan kadar degradasi mengikut susunan magnitud.

4. Kesesakan Antara Muka pada Ketumpatan Arus Tinggi (Kunci kepada Perindustrian)

- Pada Lebih daripada atau sama dengan 1–2 A/cm²:

- Lonjakan pengeluaran gas → Antara muka terdedah kepada sekatan gas, had pemindahan jisim

- Kepekatan haba → Penuaan dipercepatkan bahan antara muka

- Hanya pengoptimuman antara muka yang benar-benar dapat merealisasikan kekonduksian tinggi dan luas permukaan khusus tinggi buih nikel.

III. Strategi Teras untuk Mengoptimumkan Antara Muka Microporous Nickel Foam PTL/MEA

1. Pengubahsuaian Struktur Mikro Permukaan

- Salutan dengan serbuk nikel mikroliang/nano-lapisan nikel → Permukaan licin, mengelakkan tusukan membran, tambah kawasan sentuhan

- Goresan/pengoksidaan kimia → Cipta nano-permukaan kasar, tingkatkan ikatan, tingkatkan pembasahan

2. Reka Bentuk Struktur Liang Kecerunan

- Bahagian dalam (sebelah membran): Kecil/mikropori (5–20 μm) → Sentuhan baik, pengekalan air, antara muka tiga fasa-stabil

- Bahagian luar (sebelah saluran): Liang-liang besar (30–100 μm) → Pembuangan cepat, penyumbatan gas berkurangan

3. Ikatan dan Penyepaduan Antaramuka

- Pertumbuhan pemangkin langsung/elektrodeposisi pada buih nikel → Kurangkan rintangan antara muka, elakkan detasmen

- Peraturan antara muka Ionomer (AEI) → Tingkatkan pengaliran OH⁻, tingkatkan lekatan dan kestabilan

4. Peraturan Tenaga Permukaan/Kebolehbasahan

- Pengubahsuaian hidrofilik → Pengagihan air yang seragam, kurangkan kawasan kering

- Tapak hidrofobik sederhana → Desorpsi gelembung pantas dan pencegahan banjir

Ringkasan

- Buih nikel mikroporous ialah pilihan pilihan untuk lapisan resapan AEM: kekonduksian tinggi, kestabilan tinggi, luas permukaan khusus tinggi dan kos rendah.

- Siling prestasi bukan dalam bahan itu sendiri, tetapi pada antara muka PTL/MEA.

- Sentuhan antara muka, tiga-antara muka fasa, kestabilan antara muka dan pemindahan jisim ketumpatan arus tinggi mestilah medan pertempuran pengoptimuman teras untuk benar-benar mengeluarkan kelebihan buih nikel dan mencapai-voltan rendah,-tinggi{3}}arus, panjang-elektroliser AEM sepanjang hayat.