纳米粉末制备工艺的局限——繁琐，昂贵，以及失活
研究中，大家普遍比较关注材料最终的性能以及其对应的制备方法，但却容易忽略具体使用场景。比如电解水制氢和燃料电池，纳米催化剂（铂族）需要沉积在膜材料表面制成膜电极（CCM）。这一过程异常繁琐，一般会分为几个主要步骤：
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纳米材料的制备（收集粉末）
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将催化剂粉末做成浆料
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活性组分涂布，干燥
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组装成为膜电极
膜电极制备工艺繁琐不连续
由于纳米催化剂制备基本采用湿化学方法进行，产物一般为纳米材料粉末或分散液的形式，因此后续的浆料制备以及涂布工艺是非连续的。根据统计，催化剂在膜电极中的成本的占比高达 38%。而纳米粉末在保存过程中易团聚失活，造成催化剂寿命降低，产品的制氢效率下降，限制了电解水制氢产业化的发展。为了弥补催化剂性能不足的缺陷，只能通过提高催化剂负载量，这进一步推高了电解水制氢的成本。
如何降低催化剂成本？试试干法气溶胶沉积
先进的 PEM 电解槽方案依赖于铂基阴极和铱基阳催化剂，虽然部分文献已经报道了铂催化剂的替代品（Mo，Ag，CoP 等），以及降低 Pt 的负载量的方案。但对于阳极 Ir 催化剂，依然没有较好的替代品或降低负载量的方案。由于 Ir 仍是地球上最稀缺的金属元素，催化剂的使用量成为限制电解水制氢发展的限速步。
Ir 是目前最稀缺的金属材料之一
纳米级催化剂颗粒拥有更高的活性以及敏感性，如果先制备粉末，必然存在粉末颗粒团聚失活的问题，团簇级（2nm 及以下）Ir 粒子被认为拥有更高的活性，但也意味着更难保持粒径稳定。 VSParticle 公司提出一种新型的工艺采用干法电极技术，直接将催化剂颗粒进行涂布，从而避免引入液体溶剂和大量粘结剂。该工艺通过放电等离子体在流动的气氛中形成 0-20nm 的初始气溶胶颗粒，再利用冲压沉积原理配合打印模块进行气溶胶直写沉积（详见：火花简史Ⅰ：闪电也能用来制备纳米材料）。
商业 Ir 催化剂尺寸较大，而气溶胶沉积可制备出更小的团簇 Ir 颗粒
因此，如果能在不引入液体试剂的同时，将纳米催化剂产生后直接进行喷涂沉积，即可大限度的保证催化剂颗粒的初始粒径及活性。VSParticle 的火花烧蚀纳米气溶胶技术整个过程无需引入任何化学试剂，颗粒即时生成，可调可控，大大减少了膜电极制备的工艺步骤。
气溶胶直写沉积原理
实验证明，基于火花烧蚀和气溶胶直写技术，可在 Nafion 膜上制造（包括但不限于 Ir 与 Pt 等金属，合金，氧化物）均匀的催化剂层。此外，与传统的制造方法相比，该技术工艺简单、可降低成本和以及碳排放。与现有技术相比，阳极 Ir 涂覆的 CCM 中贵金属负载量可减少 20–80%，在 4cm2 单电池中进行水电解测试优于商用 CCM，Ir 的比功率密度降低了五倍（较低的值表明需要较少的 Ir 即可驱动电解反应）。
利用火花烧蚀气溶胶打印进行双面膜电极制备（Nafion 115）
使用该技术制备具有 IrOx 阳极和 Pt 阴极的 CCM，以证明该技术制造两面均涂覆的 CCM 的潜力。在 2V 电位下，气溶胶沉积 CCM 电流密度比商用 CCM 高 1.5 倍以上，贵金属的总负载降低了 4 倍。将电解所需驱动电位降低了 160 mV。
VSParticle 的技术方案只需 0.4mg/cm
2 负载量即可达到商业 2mg/cm
2 的效果，同时 0.8mg/cm
2 负载量的电流密度同电位下表现更为优异
降低制氢成本是我国推进氢能源发展，实现双碳战略目标的重要技术难题，通过 VSParticle 的气溶胶直写电极打印技术，可减少 CCM 的工艺流程，无需墨水大幅降低催化剂使用量。根据估算，如按照 0.8mg/cm2 的 Ir 负载量，最终的量产工艺可 3 倍降低 CCM 制造成本，提升制氢效果。
关于气溶胶纳米沉积技术
该测试使用 VSParticle 的新纳米印刷沉积系统 VSP-P1 完成，该系统是目前市场上无墨水的干法气溶胶打印沉积方案。
技术特点 VSParticle 源自代尔夫特理工大学的气溶胶科学研究团队，旨在销售基于火花烧蚀气溶胶沉积技术的纳米沉积平台。目前已累积了众多用户以及合作伙伴，包括研究型大学和学术机构，以及从事催化剂开发和其它应用的产业公司。未来，预计将拥有更多用户使用干法气溶胶技术以加快、简化纳米材料的制作流程。
典型用户
参考文献 -
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