FI20207110A1 - Method of producing a porous catalytic layer using pulsed laser coating for production of hydrogen - Google Patents
Method of producing a porous catalytic layer using pulsed laser coating for production of hydrogen Download PDFInfo
- Publication number
- FI20207110A1 FI20207110A1 FI20207110A FI20207110A FI20207110A1 FI 20207110 A1 FI20207110 A1 FI 20207110A1 FI 20207110 A FI20207110 A FI 20207110A FI 20207110 A FI20207110 A FI 20207110A FI 20207110 A1 FI20207110 A1 FI 20207110A1
- Authority
- FI
- Finland
- Prior art keywords
- coating
- catalytic
- process according
- nickel
- hydrogen
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 69
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 38
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 26
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 22
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 91
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 28
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 23
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000000446 fuel Substances 0.000 claims abstract description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 5
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 40
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims description 19
- 239000013077 target material Substances 0.000 claims description 17
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 8
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 7
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 4
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims description 3
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 3
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 2
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011651 chromium Substances 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 2
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N Zinc Chemical compound [Zn] HCHKCACWOHOZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 claims 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims 1
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 claims 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000011701 zinc Substances 0.000 claims 1
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 claims 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 23
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 21
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 21
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 13
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 11
- NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N Raney nickel Chemical compound [Al].[Ni] NPXOKRUENSOPAO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 9
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 7
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 5
- -1 hydroxide ions Chemical class 0.000 description 5
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000006555 catalytic reaction Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 4
- 239000007868 Raney catalyst Substances 0.000 description 3
- 229910000564 Raney nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 3
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 2
- 125000004429 atom Chemical group 0.000 description 2
- 239000008199 coating composition Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- QELJHCBNGDEXLD-UHFFFAOYSA-N nickel zinc Chemical compound [Ni].[Zn] QELJHCBNGDEXLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000011236 particulate material Substances 0.000 description 2
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 2
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 2
- 206010067484 Adverse reaction Diseases 0.000 description 1
- 229910001182 Mo alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001297 Zn alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 230000006838 adverse reaction Effects 0.000 description 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 1
- YYCNOHYMCOXPPJ-UHFFFAOYSA-N alumane;nickel Chemical class [AlH3].[Ni] YYCNOHYMCOXPPJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- ANBBXQWFNXMHLD-UHFFFAOYSA-N aluminum;sodium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[O-2].[Na+].[Al+3] ANBBXQWFNXMHLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000003637 basic solution Substances 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000002803 fossil fuel Substances 0.000 description 1
- 238000005246 galvanizing Methods 0.000 description 1
- 238000000608 laser ablation Methods 0.000 description 1
- 238000002386 leaching Methods 0.000 description 1
- 239000008204 material by function Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 239000003863 metallic catalyst Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000010327 methods by industry Methods 0.000 description 1
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 1
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 1
- 229920002492 poly(sulfone) Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000005518 polymer electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000010970 precious metal Substances 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 238000007670 refining Methods 0.000 description 1
- 229910001388 sodium aluminate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003685 thermal hair damage Effects 0.000 description 1
- 229910000687 transition metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C14/00—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material
- C23C14/22—Coating by vacuum evaporation, by sputtering or by ion implantation of the coating forming material characterised by the process of coating
- C23C14/24—Vacuum evaporation
- C23C14/28—Vacuum evaporation by wave energy or particle radiation
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
- B01J35/60—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their surface properties or porosity
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/02—Impregnation, coating or precipitation
- B01J37/0215—Coating
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
- B01J37/34—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation
- B01J37/349—Irradiation by, or application of, electric, magnetic or wave energy, e.g. ultrasonic waves ; Ionic sputtering; Flame or plasma spraying; Particle radiation making use of flames, plasmas or lasers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/02—Details
- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
- H01M8/023—Porous and characterised by the material
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Toxicology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Catalysts (AREA)
Abstract
Esillä olevassa keksinnössä esitellään menetelmä valmistaa pulssilaserpinnoituksella katalyyttinen pinnoite, joka tehostaa vedyn valmistusta veden elektrolyysillä ja vedyn käyttöä polttoaineena tehden nämä prosessit taloudellisesti edullisemmiksi. Pulssilaserpinnoituksella tuotetaan metallisista, ei-metallisista tai komposiittimateriaaleista prosessia katalysoiva pinnoite, jonka huokoisuus on vähintään 20 tilavuusprosenttia. Katalyyttinen pinta voidaan valmistaa erilaisille alustamateriaaleille, kuten reikälevylle, verkoille tai jopa osittain polymeerisille alustoille.The present invention provides a method of producing a catalytic coating by pulsed laser coating that enhances the production of hydrogen by electrolysis of water and the use of hydrogen as a fuel, making these processes more economically advantageous. Pulsed laser coating produces a process-catalyzed coating of metallic, non-metallic or composite materials with a porosity of at least 20% by volume. The catalytic surface can be made on a variety of substrate materials, such as perforated sheet, mesh, or even partially polymeric substrates.
Description
KEKSINNÖN KOHDE Keksintö liittyy menetelmään, jossa pulssilaserpinnoituksella voidaan valmistaa katalyyttisiä materiaaliketroksia elektrodeihin, joita käytetään alkalielektrolyyttiteknologiaan perustuvissa kennoratkaisuissa esimerkiksi vedyn valmistuksessa.FIELD OF THE INVENTION The invention relates to a process in which catalytic material catheters can be prepared by pulse laser coating on electrodes used in cell solutions based on alkali electrolyte technology, for example in the production of hydrogen.
KEKSINNÖN TAUSTAA Vedyn hyödyntäminen puhtaana energianlähteenä on osa globaalia energiastrategiaa, jossa korvataan erityisesti fossiilisiin polttoaineisiin perustuvia energiaratkaisuja ja poistetaan niihin liittyviä ympäristöongelmia. Vaihtoehtoisia liikenteen sähköistymiseen liittyviä teknologioita ovat littumioniakut ja vetyä polttoaineena hyödyntävät polttokennot. Littumioniteknologian kehittäminen autoilun sähköistymistä tukemaan on edennyt nopeammin kuin vetyteknologian ja polttokennojen kehittäminen johtuen esimerkiksi matalammasta kustannustasosta ja laajemmasta sähkön latausverkostosta verrattuna vedyn jakeluverkkoon.BACKGROUND OF THE INVENTION The use of hydrogen as a clean energy source is part of a global energy strategy that replaces energy solutions based on fossil fuels in particular and eliminates the environmental problems associated with them. Alternative technologies related to the electrification of transport include lithium-ion batteries and fuel cells using hydrogen as fuel. The development of lithium-ion technology to support the electrification of motoring has progressed faster than the development of hydrogen technology and fuel cells due to, for example, a lower cost level and a wider electricity charging network compared to the hydrogen distribution network.
Keskeisiä ongelmia puhtaan vedyn tuotannossa ja käytössä polttoaineena ovat kriittisten komponenttien korkea hinta, mikä johtuu mm. platinakatalyyttien käytöstä. Muita ongelmia ovat toiminnallisten — materiaalien — ja — pintojen — myrkyttyminen — ja — siitä — johtuvat vedyntuotantotehokkuuden tai polttokennon tehokkuuden putoaminen. Lisäksi usein vedyn tuotanto- ja polttokennoratkaisujen prosessiympäristöt ovat korroosion kannalta erittäin haasteellisia ja vaativat kalliiden materiaaliratkaisujen, kuten titaanin, käyttöä.The main problems in the production and use of clean hydrogen as a fuel are the high cost of critical components, which is due to e.g. the use of platinum catalysts. Other problems are the poisoning of functional - materials - and - surfaces - and - the consequent - loss of hydrogen production efficiency or fuel cell efficiency. In addition, the process environments of hydrogen production and fuel cell solutions are often very challenging for corrosion and require the use of expensive material solutions such as titanium.
S & Jotta kuvatut ongelmat voidaan poistaa, olisi löydettävä tehokkaita materiaaliratkaisuja sekä = puhtaan vedyn tuotantoon että sen käyttöön polttokennoissa. Eräs menetelmä vedyn - tuotantoon on alkalielektrolyyttiteknologia. Siinä veden hajoamisreaktiot vedyn tuottamiseksi E 30 tapahtuvat emäksisessä liuoksessa, joka sisältää esimerkiksi kaliumhydroksidia = tai 2 natriumhydroksidia. Katodi- ja anodikomponentteja erottaa hydroksidi-ioneja läpäisevä kalvo, S joka kuitenkin estää elektrolyysissä syntyvien kaasujen sekoittumisen ja reagoinnin keskenään. N Prosessia tehostetaan katalyyttisesti aktiivisen materiaalin, kuten huokoisen nikkelin, avulla. Huokoisen nikkelin valmistukseen on olemassa useita eri menetelmiä, joista tunnetuimpia on nk. Raney-nikkelin valmistus. Raney-nikkelin valmistus perustuu nikkeli-sinkki- ja nikkeli- alumiiniseosten valmistukseen esimerkiksi termisellä ruiskutuksella tai nikkeliverkkojen kuumasinkityksellä. Nikkeli-alumiininiseoksen suuri huokoisuus ja prosessitehokkuuden kannalta edullinen suuri avoin pinta-ala muodostuu natriumhydroksidikäsittelyssä, jossa eräät alumiini-nikkeli-yhdisteet reagoivat selektiivisesti natriumhydroksidin kanssa muodostaen natriumaluminaattia, joka — voidaan pestä pois. = Alkalielektrolyyttiprosessin — etuina polymeerielektrolyyttimembraaneihin perustuviin prosessiratkaisuihin verrattuna ovat mm. halvemmat katalyyttimateriaalit, parempi materiaalien kestävyys ja parempi kaasujen puhtaus. Termisessä ruiskutuksessa syntyvän materiaalin partikkelikoon hallintaa rajoittaa sen lähtöainepulverin = partikkelikoko, joka soveltuu kyseessä olevaan menetelmään. Tämä luonnollisesti rajoittaa rakenteen avoimen pinta-alan määrää ennen natriumhydroksidiliuotusta esimerkiksi nikkeli-alumiinin tapauksessa. Toisaalta käytettäessä perforoitua eli ret'itettyä levyä joko — termisen — ruiskutuksen — tai — sähkökemiallisen — pinnoituksen — pinnoitettavana alustamateriaalina, säätelee reritykseen käytetyn menetelmän kyky tuottaa reikäistä materiaalia levyn pinnoitettavaa pinta-alaa. Näistä ref'itysmenetelmistä esimerkkinä ovat levyn lävistys tai verkkomaisen materiaalin valmistus langoista. Jos veden alkalielektrolyyttiteknologiaan perustuvaa vedyn tuotantoa veden elektrolyysillä voidaan tehostaa esimerkiksi lisäämällä katalyyttisten materiaalien tehokkuutta avointa pinta-alaa kasvattamalla tai katalyyttisiä reaktioita parantavalla seostuksella, voidaan vetyteknologiaan perustuvia energiaratkaisuja saada huomattavasti edullisemmiksi ja tehokkaammiksi.S & In order to eliminate the problems described, efficient material solutions should be found for both = the production of pure hydrogen and its use in fuel cells. One method of hydrogen production is alkali electrolyte technology. In it, the decomposition reactions of water to produce hydrogen E 30 take place in a basic solution containing, for example, potassium hydroxide = or 2 sodium hydroxide. The cathode and anode components are separated by a membrane permeable to hydroxide ions, which, however, prevents the mixing and reaction of the gases formed in the electrolysis. N The process is enhanced by a catalytically active material such as porous nickel. There are several different methods for the production of porous nickel, the most well-known of which is the production of so-called Raney nickel. The production of Raney nickel is based on the production of nickel-zinc and nickel-aluminum alloys, for example by thermal spraying or hot-dip galvanizing of nickel networks. The high porosity of the nickel-aluminum alloy and the large open surface area preferred for process efficiency are formed in the sodium hydroxide treatment, in which some aluminum-nickel compounds react selectively with sodium hydroxide to form sodium aluminate, which can be washed off. = The advantages of the alkali electrolyte process compared to process solutions based on polymer electrolyte membranes are e.g. cheaper catalyst materials, better durability of materials and better purity of gases. The control of the particle size of the material generated by thermal spraying is limited by the starting powder = particle size suitable for the process in question. This, of course, limits the amount of open surface area of the structure prior to sodium hydroxide leaching, for example in the case of nickel-aluminum. On the other hand, when a perforated sheet is used as either a - thermal - spray - or - electrochemical - coating - coating substrate, the ability of the method used to produce the perforated material regulates the surface area to be coated. Examples of these refining methods are punching a sheet or making a web-like material from yarns. If hydrogen production based on water alkali electrolyte technology by water electrolysis can be enhanced, for example by increasing the efficiency of catalytic materials by increasing the open area or by doping to improve catalytic reactions, energy solutions based on hydrogen technology can be made much cheaper and more efficient.
KEKSINNÖN LYHYT YHTEENVETO N Keksinnön mukainen valmistusmenetelmä mahdollistaa vedyn tuotantoon soveltuvan > katalyyttisen pinnan, kuten nikkeli- tai nikkeliseoskatalyyttipinnoitteen, valmistuksen = pulssilaserteknologiaa käyttäen Kuvan 1 mukaisesti. Periaatteessa katalyyttisen pinnoitteen - tehokkuutta voidaan parantaa joko parantamalla katalyyttisen pinnan muodostavan materiaalin E 30 katalyyttistä aktiivisuutta tai lisäämällä aktiivisen pinnan määrää. 2 S Keksinnön mukainen menetelmä mahdollistaa erittäin suuren avoimen pinta-alan katalyyttisen | pinnoitteen valmistuksen pulssilaserteknologiaa käyttäen Kuvion 2 mukaisesti. Menetelmässä voidaan metallinen katalyyttinen pinnoite valmistaa eri materiaaleista tai niiden yhdistelmistä komposiitteina ja räätälöidä pinnoitteen avointa pinta-alaa, huokoisuutta ja seostusta pulssilaserpinnoituksen — kohtiomateriaalien — koostumusta, — prosessiparametreja — ja pinnottusympäristöä, kuten kaasun osapainetta, säätelemällä. Pulssilaserteknologian tuottaman materiaalivittan suuren kineettisen energian vuoksi pinnoitteen adheesio alustaan sekä huokoisen materiaalin muodostavien partikkelien välillä on hyvä. Hyvästä adheesiosta huolimatta pinnoituksen aiheuttama lämpökuorma ja mekaaninen rasitus alustaan on vähäinen mikä mahdollistaa pinnoituksen myös lämpöherkkien ja/tai helposti vautioituvien materiaalien pinnalle.BRIEF SUMMARY OF THE INVENTION The production process of the invention allows the production of a catalytic surface suitable for the production of hydrogen, such as a nickel or nickel alloy catalyst coating, using pulsed laser technology, as shown in Figure 1. In principle, the efficiency of the catalytic coating can be improved either by improving the catalytic activity of the catalytic surface-forming material E30 or by increasing the amount of active surface. 2 S The process according to the invention allows a very large open area catalytic | coating production using pulsed laser technology according to Figure 2. In the method, a metallic catalytic coating can be prepared from different materials or combinations thereof as composites and the open surface area, porosity and doping of the coating can be tailored to the composition, process parameters, and coating environment, such as gas partial pressure, of the pulsed laser coating. Due to the high kinetic energy of the material flux produced by the pulsed laser technology, the adhesion of the coating to the substrate and to the particles forming the porous material is good. Despite the good adhesion, the thermal load and mechanical stress on the substrate caused by the coating is low, which also allows the coating to be applied to the surface of heat-sensitive and / or easily permeable materials.
Katalyyttisen materiaalikerroksen ominaisuuksien sääteleminen on mahdollista suhteellisen helposti — muuttamalla — katalyyttisen — kerroksen — koostumusta — tai — valmistamalla komposiittimateriaaleja tehostamaan haluttuja katalyyttisiä reaktioita. Vaikka nikkeli itsessään on eräs parhaita aktiivisia ei-jalometallisia katalyyttimateriaaleja, voidaan seosaineilla edelleen parantaa katalyyttisiä ominaisuuksia. Pulssilaserteknologia soveltuu joustavan säädeltävyytensä vuoksi hyvin seostuksen monipuoliseen hallintaan.It is possible to control the properties of the catalytic material layer relatively easily - by changing - the composition of the - catalytic - layer - or - by preparing composite materials to enhance the desired catalytic reactions. Although nickel itself is one of the best active non-precious metal catalyst materials, alloying agents can further improve catalytic properties. Due to its flexible controllability, pulsed laser technology is well suited for versatile doping control.
Keksinnön mukaisella valmistusmenetelmällä voidaan valmistaa katalyyttinen materiaalikerros siten, että: - — Valmistetaan substraattimateriaali ja valmistellaan se pinnoitusta varten - — Valmistetaan kohtiomateriaali tai, jos pinnoitus suoritetaan useammasta materiaalista, kohtiomateriaalit - Komponentti asetetaan pinnoituskammioon pinnoitusta varten siten, että katalyyttiset pinnat päästään pinnoittamaan valitulla/ valituilla menetelmillä - Pinnoitus tehdään kerroksittain siten, että luodaan haluttu toiminnallinen katalyyttinen pintaThe production method according to the invention can be used to produce a catalytic material layer by: - The coating is applied in layers so as to create the desired functional catalytic surface
O O - Pinnoituksen jälkeen voidaan suorittaa kemialliset, termiset, fysikaaliset tai mekaaniset O jälkikäsittelyt eri menetelmillä esimerkiksi kiderakenteen, pinnan morfologian tai s topografian säätelemiseksiO O - After coating, chemical, thermal, physical or mechanical O post-treatments can be performed by various methods to control, for example, the crystal structure, surface morphology or topography.
KUVIOIDEN LYHYT KUVAUS 2 ~ S Kuviot 1-4 esittävät skemaattisesti esimerkkejä eri vaihtoehdoista katalyyttisen pinnoitteen & valmistamiseksi.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Figures 1-4 schematically show examples of various alternatives for preparing a catalytic coating.
Kuvio 1 — esittää — erään — järjestelyn — katalyyttimateriaalikerroksen — pinnoitukseen pulssilaserpinnoituksella Kuvio 2 esittää pulssilaserlaserpinnoituksella valmistettua huokoista rakennetta, jossa tuotetut partikkelit muodostavat pinnoitteen alustamateriaalin pinnalle Kuvio 3 esittää erästä järjestelyä komposiittimateriaalin valmistukseen hyödyntäen kahta eri kohtiomateriaalia, joihin molempiin kohdistetaan kohtiomateriaalien kannalta optimaaliset laserpulssit Kuvio 4 esittää erästä järjestelyä komposiittimateriaalin valmistukseen peräkkäisissä pinnoitusasemissa, jolloin rakenteesta syntyy osin monikerroksinen ja eri kerrokset ovat osittain sekoittuneet keskenään Piirustusten on tarkoitus havainnollistaa keksinnöllistä ajatusta. Näin ollen piirustuksia ei ole laadittu tietyssä mittakaavassa eikä niiden ole tarkoitus määritellä nimenomaisia osien tai komponenttien keskinäisiä sijoitteluja.Figure 2 shows - an - arrangement - for coating a catalyst material layer - by pulsed laser coating Figure 2 shows a porous structure made by pulsed laser coating in which the particles produced form a coating on the surface of the substrate material an arrangement for the production of a composite material in successive coating stations, whereby the structure becomes partly multilayered and the different layers are partially mixed with one another. The drawings are intended to illustrate the inventive idea. Therefore, the drawings are not to scale and are not intended to define the specific arrangement of parts or components.
KEKSINNÖN YKSITYISKOHTAINEN KUVAUS Tekstissä viitataan piirustuksiin seuraavin viitemerkinnöin: 1a Laserlähde 1b Kohtiomateriaaliin kohdistuvat laserpulssit 1c Kohtiomateriaalia 1d Kohtiosta irtoava materiaalivirta 1e Syntyvä pinnoite 1f Alustamateriaali N 2a Alustamateriaali > 2b Huokoisen pinnoitteen muodostavat partikkelit = 2c Huokoset partikkelien välissä - 2d Partikkelien väliset liitokset E 30 3a Laserlähde 1 2 3b Laserpulssit laserlähteestä 1 S 3c Kohtiomateriaali 1 | 3d Materiaalivirta 1 kohtiolta 1 alustamateriaalille 3a’ Laserlähde 2DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The text refers to the drawings with the following reference numerals: 1a Laser source 1b Laser pulses applied to a target material 1c Target material 1d 2 3b Laser pulses from a laser source 1 S 3c Target material 1 | 3d Material flow from point 1 to substrate material 3a ‘Laser source 2
3b' Laserpulssit laserlähteestä 2 3c’ Kohtiomateriaali 2 3d’ Materiaalivirta 2 kohtiolta 2 alustamateriaalille 3e Kahdesta eri materiaalivirrasta syntynyt komposiittipinnoite 5 3f Alustamateriaali 4a TLasetlihde 1 4b Laserpulssit laserlähteestä 1 4c Kohtiomateriaali 1 4d Materiaalivirta 1 kohtiolta 1 alustamateriaalille 4a' I aserlähde 2 4b* Laserpulssit laserlähteestä 2 4c’ Kohtiomateriaali 2 4d’ Materiaalivirta 2 kohtiolta 2 alustamateriaalille 4e Kahdesta peräkkäisestä materiaalivirrasta syntynyt monikerroksinen komposiittipinnoite 4f Alustamateriaali Keksinnön mukaisessa menetelmässä valmistetaan katalyyttinen pinta veden elektrolyysiin vedyn valmistamiseksi, jota voidaan käyttää esimerkiksi polttoaineena polttokennossa. Alustamateriaalina 1f voi toimia esimerkiksi sopiva anodi- ja/tai katodielektrodimateriaali, jotka voivat olla erilaisissa tuotemuodoissa, kuten levyinä, perforoituina levyinä tai verkkoina. Katalyyttikerroksen le materiaalina voidaan käyttää metalleja, metalliseoksia tai ei-metallisia materiaaleja, kuten oksideja, sekä komposiittimateriaaleja eri metallisista ja ei-metallisista materiaaleista.3b 'Laser pulses from laser source 2 3c' Target material 2 3d 'Material flow from 2 points to 2 substrate material 3e Composite coating from two different material streams 5 3f Substrate material 4a TLetition 1 4b 2 4c 'Target material 2 4d' Material flow 2 per target 2 to substrate material 4e Multilayer composite coating resulting from two successive material streams 4f Substrate material The substrate material 1f can be, for example, a suitable anode and / or cathode electrode material, which can be in various product forms, such as plates, perforated plates or networks. Metals, alloys or non-metallic materials such as oxides, as well as composite materials from various metallic and non-metallic materials can be used as the material of the catalyst layer.
N Sopivia metallisia materiaaleja alkalielektrolyysissa katalyyttisille pinnoille ovat mm. nikkeli, > nikkeli-alumiiniseos, nikkeli-alumiini-molybdeeniseos tai nikkeli-sinkkiseos. Lisäksi kaikkiin + näistä voidaan seostaa katalyyttisiä reaktioita voimistamaan vaihtelevia määriä muitakin - seosaineita, kuten kromia, kobolttia, rautaa, kuparia, titaania, hafniumia ja/tai platinaa. Anodi- E 30 ja katodireaktioiden tehostamiseen on usein tarpeen käyttää erilaisia materiaaliratkaisuja 2 johtuen reaktioiden erilaisuudesta sekä siitä, kumpi reaktio on kokonaisreaktioita kontrolloiva. S Fsimerkiksi transitiometallien seokset, kuten PtzMo, H&Fe ja TiPt, ovat hyviä materiaaleja N käytettäväksi tehostamaan katodireaktioita.N Suitable metallic materials for alkaline electrolysis on catalytic surfaces include e.g. nickel,> nickel-aluminum alloy, nickel-aluminum-molybdenum alloy or nickel-zinc alloy. In addition, all of these can be subjected to catalytic reactions to enhance varying amounts of other alloying elements, such as chromium, cobalt, iron, copper, titanium, hafnium, and / or platinum. In order to enhance the anode E 30 and cathode reactions, it is often necessary to use different material solutions 2 due to the different reactions and which reaction is controlling the overall reactions. S For example, alloys of transition metals such as PtzMo, H & Fe and TiPt are good materials N for use in enhancing cathode reactions.
Pulssilaserteknologiassa voidaan kaikki tarvittavat seosaineet lisätä kohttomateriaaliin 1c, jos kyetään hallitsemaan pinnoitteen muodostavan materiaalivirran 1d koostumus pulssilaserablaatioprosessin aikana materiaalin siirtyessä kohtiolta 1c pinnoitteeksi 1e alustamateriaalin 1f pintaan.In pulsed laser technology, all necessary dopants can be added to the target material 1c if the composition of the coating-forming material stream 1d can be controlled during the pulse laser stabilization process as the material moves from the target 1c to the coating 1e to the surface of the substrate 1f.
Sen sijaan, että käytetään yhtä kohtiomateriaalta, voidaan sekä metalliset että ei-metalliset materiaalit pinnoittaa käyttäen useasta eri kohtiosta muodostettuja materiaalivirtoja, jotka alustamateriaalille osuessaan ja kiinnittyessään muodostavat yhtenäisen pinnoitteen ja halutun katalyyttisen pinnoitteen koostumuksen ja rakenteen.Instead of using a single target material, both metallic and non-metallic materials can be coated using material streams formed from a plurality of different locations that, when impacted and adhered to the substrate material, form a uniform coating and desired catalytic coating composition and structure.
On myös mahdollista erityisesti ei-metallisten katalyyttien tapauksessa valmistaa pinnoitteet siten, että esimerkiksi metallinen seosaine reagoi pinnoituskammion kaasuatmosfäärin kanssa muodostaen esimerkiksi halutun metallioksidin osaksi katalyyttistä pinnoitetta.It is also possible, especially in the case of non-metallic catalysts, to prepare coatings in such a way that, for example, the metallic alloy reacts with the gas atmosphere of the coating chamber to form, for example, the desired metal oxide as part of the catalytic coating.
Katalyyttikerroksen materiaalit voidaan valmistaa myös komposiittimateriaaleina Kuvion 3 mukaisesti siten, että komposiittimateriaalikerros 3e valmistetaan ablatoimalla materiaaleja esimerkiksi kahdesta eri kohtiomateriaalista 3c ja 3c’. Kuvion 3 mukaisesti kohdistetaan esimerkiksi kahteen eri kohtioon 3c ja 3c” laserpulsseja 3b ja 3b” eri laserlähteistä 3a ja 3a” haluttujen materiaalivirtojen 3d ja 3d” muodostamiseksi.The materials of the catalyst layer can also be produced as composite materials according to Figure 3, so that the composite material layer 3e is produced by ablating materials from, for example, two different target materials 3c and 3c '. According to Figure 3, for example, “laser pulses 3b and 3b” from different laser sources 3a and 3a are applied to two different locations 3c and 3c to form the desired material flows 3d and 3d ”.
Molempiin kohtioihin 3c ja 3c” kohdistetaan niihin parhaiten sopivat laserpulssiparametrit | laserlähteistä 3a ja 3a’. Komposiittimateriaali 3e voidaan myös valmistaa siten, että sen molemmat komponentit ovat seostettu kohtiomateriaaliin.Both positions 3c and 3c ”are subjected to the most appropriate laser pulse parameters | from laser sources 3a and 3a ’. The composite material 3e can also be produced by doping both of its components into a target material.
Tämä vaihtoehto ei ole yhtä joustava, kuin suoritettaessa pulssilaserpinnoitus kahdesta tai useammasta kohtiota siten, että kuhunkin eri kohtiomateriaaliin voidaan kohdistaa eri komposiittimateriaalin komponenttien rakenteen kannalta optimaaliset ominaisuudet omaavat lasersäteet.This option is not as flexible as performing pulsed laser coating on two or more targets so that each beam can be targeted with laser beams having optimal properties for the structure of the components of the composite material.
Eri kohtioista irrotetut materiaalivirrat muodostavat komposiittirakenteen 3e alustamateriaalin 3£ — pintaan — halutulla — jakaumalla. — Komposuttimateriaalin — tapauksessa — voidaan N katalyyttimateriaalikerros valmistaa tarvittaessa myös gradienttirakenteena siten, että koostumus > muuttuu syvyyden funktiona ja näin säätää katalyyttisen kerroksen mikrorakennetta ja + toiminnallisuutta.The material streams detached from the different targets form a composite structure 3e on the substrate material 3 £ - with the desired - distribution. - In the case of a composite material, the N catalyst layer can also be prepared as a gradient structure, if necessary, so that the composition> changes as a function of depth and thus the microstructure and + functionality of the catalytic layer can be adjusted.
Gradienttimateriaalin valmistuksessa on useamman eri kohtiomateriaalin - käyttö helpoin tapa toteuttaa haluttu rakenne.There are several different target materials in the fabrication of the gradient material - the easiest way to implement the desired structure.
E 30 2 Katalyyttisten reaktioiden edellytyksenä on hallittu huokoinen rakenne Kuvion 2 mukaisesti.E 30 2 Catalytic reactions require a controlled porous structure as shown in Figure 2.
S Huokoinen rakenne mahdollistaa sekä veden että kaasujen, kuten hapen ja vedyn, siirtymisen N katalyyttikerrokseen ja sieltä pois.S The porous structure allows both water and gases such as oxygen and hydrogen to pass into and out of the N catalyst bed.
Lisäksi rakenteen on oltava mahdollisimman huokoinen aktiivisen avoimen — pinta-alan — maksimoimiseksi.In addition, the structure must be as porous as possible to maximize the active open area.
Huokoinen — rakenne — valmistetaan pulssilaserpinnoituksessa säätelemällä esimerkiksi kohtiosta alustamateriaalille suunnattavan matertaalivirran koostumusta, olomuotoa, partikkelikokojakaumaa sekä termistä ja kineettistä energiaa. Laserpulssit irrottavat kohtiosta materiaalia ioneina, atomeina, sulapisaroina ja murtuneina partikkeleina. Tämän materiaalivirran jakauma määrittelee pitkälti alustamateriaalin 2a pinnalle syntyvän pinnoitekerroksen rakenteen ja morfologian, kun kohtiosta siirtyvät partikkelimuodossa 2b olevat materiaalit muodostavat liitokset 2d toisiinsa ja alustamateriaaliin 2a siten, että niiden väliin jää haluttu määrä huokosia 2c.The porous structure is fabricated in pulsed laser coating by controlling, for example, the composition, state, particle size distribution, and thermal and kinetic energy of the material stream directed from the target to the substrate material. Laser pulses remove material from the target as ions, atoms, melt droplets, and fractured particles. The distribution of this material flow largely determines the structure and morphology of the coating layer formed on the surface of the substrate material 2a as the materials in particulate form 2b migrating from the target form joints 2d with each other and the substrate material 2a with the desired number of pores 2c therebetween.
Huokoisen rakenteen, sen partikkelikoon ja avoimen pinta-alan hallintaa voidaan toteuttaa pulssilaserteknologiassa — partikkelimuodossa — olevan — materiaalin — määrää — säätämällä, partikkelikoon, partikkelien lämpötilan ja kineettisen energian hallinnalla. Lisäksi ei- partikkelimuodossa olevan materiaalin, kuten atomaarisen ja ionisoituneen materiaalin, suhteellinen osuus vaikuttaa huokoisuuteen ja avoimeen pinta-alaan.Control of the porous structure, its particle size, and open surface area can be accomplished by adjusting the amount of material in the pulsed laser technology - in particulate form - by controlling the particle size, particle temperature, and kinetic energy. In addition, the relative proportion of non-particulate material, such as atomic and ionized material, affects porosity and open surface area.
Partikkelit voivat muodostua paitsi sulapisaroista ja murtuneista partikkeleista, myös atomaarisesta ja/tai ionisoituneesta materiaalista kondensoitumalla. Kondensoitumista voidaan edistää lisäämällä atomaarisen ja/tai ionisoituneen materiaalin konsentraatiota, mikä lisää atomien, ionien ja partikkelien törmäysten todennäköisyyttä materiaalivirrassa ja siten partikkelien muodostumista. Myös taustakaasun paineen nosto edistää kondensoitumista.The particles can be formed not only from melt droplets and fractured particles, but also from atomic and / or ionized material by condensation. Condensation can be promoted by increasing the concentration of atomic and / or ionized material, which increases the likelihood of collisions of atoms, ions, and particles in the material stream and thus the formation of particles. Increasing the background gas pressure also promotes condensation.
Taustakaasun osalta on huomioitava sen yhteensopivuus pinnoitettavan katalyyttimateriaalin kanssa, jotta vältetään haitalliset reaktiot ja pinnoitettavan materiaalin ominaisuuksien heikkeneminen. Toisaalta lisäämällä prosessiteknisesti pinnoitettavan materiaalin energiamäärää voidaan vähentää sen taipumusta muodostaa partikkeleita. Tyypillisesti metallisten ja ei- metallisten materiaalien partikkelikoot ovat välillä 5 nm — 1000 nm riippuen käytetyistä laserpulssituksen parametreista, pinnoitusympäristössä, pinnoitettavasta materiaalista ja eri N mekanismien suhteellisesta osuudesta partikkelien muodostumisessa.With regard to the background gas, its compatibility with the catalyst material to be coated must be taken into account in order to avoid adverse reactions and deterioration of the properties of the material to be coated. On the other hand, by increasing the amount of energy of the material to be coated in the process engineering, its tendency to form particles can be reduced. Typically, the particle sizes of metallic and non-metallic materials range from 5 nm to 1000 nm, depending on the laser pulse parameters used, the coating environment, the material to be coated, and the relative contribution of different N mechanisms to particle formation.
N + Käytettäessä pulssilaserpinnoitusta huokoisen materiaalin valmistukseen on myös huomioitava - partikkelien riittävä adheesio toisiinsa ja alustamateriaaliin. Riittävä adheesion saadaan aikaan E 30 paitsi partikkelien riittävän suurella kineettisellä energialla, myös pienellä määrällä ei- 2 partikkelimuodossa olevaa materiaalia eli ionisoitunutta ja/tai atomaarista materiaalia, mikä S parantaa osaltaan sidosten muodostumista.N + When using pulsed laser coating for the production of porous material, it is also necessary to take into account - adequate adhesion of the particles to each other and to the substrate material. Sufficient adhesion is achieved not only with a sufficiently high kinetic energy of the particles, but also with a small amount of non-particulate material, i.e. ionized and / or atomic material, which contributes to the formation of bonds.
aa
Jos katalyyttimateriaalikerros halutaan valmistaa Kuvion 3 mukaisesti komposiittimateriaalina hyödyntäen ainakin kahta eri kohtiomateriaalia 3c ja 3c', voidaan eri materiaalien prosessiparametreja kontrolloida erikseen käyttämällä kahta tai useampaa eri laserlähdettä 3a ja 3a’. Komposiittisen kerroksen 3e muodostuminen tapahtuu silloin kombinatorisesti siten, että yhtäaikaisten laserablaatioiden avulla muodostetut materiaalivirrat 3d ja 3d” kohtaavat muodostaen komposiittirakenteen 3e alustamateriaalin 3f pinnalle. Komposiittirakenne — voidaan — valmistaa myös Kuvion 4 mukaisesti pinnoittamalla komposiittirakenteen 4e eri komponentit peräkkäisissä pinnoitusasemissa, jolloin rakenteesta syntyy osin monikerroksinen siten, että eri kerrokset ovat osittain sekoittuneet keskenään. Tässä tapauksessa peräkkäisissä pinnoitusasemissa kohdistetaan materiaalikohtioihin 4c ja 4c omista laserlähteistä 4a ja 4c” lasersäteet 4b ja 4b”, jolloin muodostuvat materiaalivirrat 4d ja 4d” kohti alustamateriaalia 4f. Tässä ratkaisussa ei saada aikaan yhtä hyvää eri materiaalikomponenttien sekoittumista kuin Kuvion 3 mukaisessa kombinatorisessa menetelmässä.If it is desired to prepare the catalyst material layer according to Figure 3 as a composite material utilizing at least two different target materials 3c and 3c ', the process parameters of the different materials can be controlled separately using two or more different laser sources 3a and 3a'. The formation of the composite layer 3e then takes place combinatorically so that the material flows 3d and 3d ”formed by simultaneous laser ablation meet, forming a composite structure 3e on the surface of the substrate material 3f. The composite structure - can - also be manufactured according to Figure 4 by coating the various components of the composite structure 4e in successive coating stations, whereby the structure is partially multilayered so that the different layers are partially mixed with each other. In this case, in successive coating stations, “laser beams 4b and 4b” are directed to the material sites 4c and 4c from their own laser sources 4a and 4c, whereby material flows 4d and 4d ”towards the substrate material 4f are formed. In this solution, the mixing of the different material components is not as good as in the combinatorial method according to Figure 3.
Katalyyttisen materiaalikerroksen pinnoituksen jälkeen voidaan sille suorittaa tarvittavat jälkikäsittelyt esimerkiksi kemiallisesti, termisesti tai mekaanisesti pinnoitteen morfologian, topografian tai mikrorakenteen — muokkaamiseksi. — Katalyyttisen — materiaalikerroksen huokoisuutta voidaan lisätä edelleen myös kemiallisella käsittelyllä samaan tapaan kuin nk. Raney-nikkelin valmistuksessa, jossa esimerkiksi nikkeli-alumiiniseoksen tapauksessa kalium- tai natriumhydroksidikäsittelyllä liuotetaan — selektiivisesti alumiinia, mikä lisää rakenteen huokoisuutta ja avointa pinta-alaa. Katalyyttinen materiaalikerros voidaan valmistaa tasaiselle alustalle tai optimaalisesti valmistetulle kuitumaiselle tai verkkomaiselle alustalle, mikäli se on tarpeen katalyyttisen N kerroksen toiminnallisuuden parantamiseksi. Eräs menetelmän etu on, että katalyyttinen > pinnoite voidaan valmistaa joissain tapauksissa suoraan anodi- ja katodikerroksia erottavalle = kalvolle ilman kalvon merkittäviä mekaanisia tai termisiä vaurioita.After coating the catalytic material layer, it can be subjected to the necessary post-treatments, for example chemically, thermally or mechanically, to modify the morphology, topography or microstructure of the coating. - The porosity of the catalytic material layer can also be further increased by chemical treatment in the same way as in the production of so-called Raney nickel, where, for example, in the case of a nickel-aluminum alloy, potassium or sodium hydroxide treatment selectively dissolves aluminum, which increases the porosity and open surface area. The catalytic material layer can be prepared on a flat substrate or on an optimally prepared fibrous or reticulated substrate if necessary to improve the functionality of the catalytic N layer. One advantage of the method is that the catalytic coating can in some cases be prepared directly on the film separating the anode and cathode layers without significant mechanical or thermal damage to the film.
I E 30 Keksinnön mukaisella menetelmällä on seuraavat edut: 2 - Voidaan valmistaa joko yhtä tai useampaa kohtiomateriaalia käyttäen erilaisia S materiaaleja tai komposiittirakenteita, jotka optimoivat ja tehostavat vedyn valmistusta N veden elektrolyysillä ja siten vedyn käyttöä polttoaineenaI E 30 The process according to the invention has the following advantages:
- — Voidaan saavuttaa erittäin suuri avoimen pinta-alan määrä valmistamalla katalyyttinen kerros eri kokoisista partikkeleista, jotka muodostavat keskenään huokoisen rakenteen - Huokoinen rakenne on mekaanisesti luotettava, koska partikkeleilla on hyvä adheesio toisiinsa ja pinnoitteen kiinnipysyvyys erilaisiin alustamateriaaleihin on hyvä - Johtuen pienestä lämpökuormasta voidaan pinnoittaa erilaisia lämpöherkkiä materiaaleja, kuten polymeerejä - Voidaan valmistaa gradienttirakenteita, joissa pinnoitteen koostumus vaihtelee - Fi ole välttämättä tarpeen käyttää kemiallisia jälkikäsittelyjä huokoisuuden muodostamiseksi- - A very high open surface area can be achieved by preparing a catalytic layer of particles of different sizes that form a porous structure - The porous structure is mechanically reliable because the particles have good adhesion to each other and the coating has good adhesion to different substrate materials - Due to low heat load heat-sensitive materials such as polymers - Can produce gradient structures with varying coating compositions - It may not be necessary to use chemical finishes to form porosity
Esimerkki 1 Valmistetaan — kohtiomateriaali = nikkelistä ja asetetaan — pulssilaserpinnoituskammioon.Example 1 Made of - target material = nickel and placed - in a pulsed laser coating chamber.
Nikkelikohtioon kohdistetaan 10 ps:a kestäviä aallonpituudeltaan 1064 nm:n laserpulsseja, mikä tuottaa materiaalivirran nikkelikohtiolta reikäisen nikkelilevyn pinnalle.10 psig laser pulses with a wavelength of 1064 nm are applied to the nickel target, which produces a material flow from the nickel target to the surface of the perforated nickel plate.
Keskikooltaan 500 nm nikkelipartikkelit muodostavat reikäisen nikkelilevyn pinnalle pinnoitteen, jonka huokoisuus on 55 tilavuusprosenttia.Nickel particles with an average size of 500 nm form a coating with a porosity of 55% by volume on the surface of a perforated nickel plate.
Esimerkki 2Example 2
Valmistetaan kohtiomateriaali nikkeli-alumiiniseoksesta ja asetetaan pulssilaserpinnoituskammioon. — Nikkelikohtioon — kohdistetaan 10 = ps:a — kestäviä aallonpituudeltaan 1064 nm:n laserpulsseja, mikä tuottaa materiaalivirran nikkeli-alumiini- kohtiolta polysulfonista ja zirkonioksidista valmistetulle kalvolle.The target material is made of a nickel-aluminum alloy and placed in a pulsed laser coating chamber. - A nickel target - applies 10 = ps - laser pulses with a wavelength of 1064 nm, which produces a material flow from the nickel-aluminum target to the film made of polysulphone and zirconia.
Keskikooltaan 500 nm nikkeli- S 25 alumiinipartikkelit muodostavat pinnoitteen, jonka huokoisuus on 55 tilavuusprosenttia.The nickel-S 25 aluminum particles with an average size of 500 nm form a coating with a porosity of 55% by volume.
Tämän O jälkeen pinnoite käsitellään NaOH:lla alumiinin liuottamiseksi sekä huokoisuuden ja avoimen O pinta-alan lisäämiseksi. o 3 I Esimerkki 3 = o = Valmistetaan — kohtiomateriaali — nikkelistä ja asetetaan — pulssilaserpinnoituskammioon.The coating is then treated with NaOH to dissolve the aluminum and increase the porosity and open O surface area. o 3 I Example 3 = o = Made of - target material - nickel and placed - in a pulsed laser coating chamber.
S Nikkelikohtioon kohdistetaan 10 ps:a kestäviä aallonpituudeltaan 1064 nm:n laserpulsseja, mikä N tuottaa materiaalivirran nikkelikohtiolta alustalle.S 10 psig laser pulses with a wavelength of 1064 nm are applied to the nickel target, which produces a material flow from the nickel target to the substrate.
Keskikooltaan 500 nm nikkelipartikkelit muodostavat pinnoitteen ruostumattomasta teräksestä valmistetulle verkolle. Pinnoitteen huokoisuus on 40 tilavuusprosenttia. Esimerkki 4 Valmistetaan kohtiomateriaali nikkeli-alumiiniseoksesta ja asetetaan pulssilaserpinnoituskammioon. Nikkeli-alumiinikohtioon kohdistetaan 1 psi:n pituisia aallonpituudeltaan 1064 nm:n laserpulsseja, mikä tuottaa materiaalivirran kohtiolta reikäiselle nikkelikalvolle ja muodostaa 45 tilavuusprosenttia huokoisuutta sisältävän pinnoitteen. Tämän jälkeen pinnoitettu reikäinen kalvo käsitellään natriumhydroksisilla alumiinin liuottamiksi ja avoimen pinta-alan edelleen lisäämiseksi.Nickel particles with an average size of 500 nm form a coating on a stainless steel mesh. The porosity of the coating is 40% by volume. Example 4 A target material is prepared from a nickel-aluminum alloy and placed in a pulsed laser coating chamber. Laser pulses of 1 psi with a wavelength of 1064 nm are applied to the nickel-aluminum target, producing a material flow from the target to the perforated nickel film and forming a coating containing 45% by volume of porosity. The coated perforated film is then treated with sodium hydroxide to dissolve the aluminum and further increase the open surface area.
O ? <+O? <+
I Ac aI Ac a
O ~O ~
Claims (14)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20207110A FI20207110A1 (en) | 2020-06-24 | 2020-06-24 | Method of producing a porous catalytic layer using pulsed laser coating for production of hydrogen |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI20207110A FI20207110A1 (en) | 2020-06-24 | 2020-06-24 | Method of producing a porous catalytic layer using pulsed laser coating for production of hydrogen |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| FI20207110A1 true FI20207110A1 (en) | 2021-12-25 |
Family
ID=80219991
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| FI20207110A FI20207110A1 (en) | 2020-06-24 | 2020-06-24 | Method of producing a porous catalytic layer using pulsed laser coating for production of hydrogen |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| FI (1) | FI20207110A1 (en) |
-
2020
- 2020-06-24 FI FI20207110A patent/FI20207110A1/en unknown
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Xu et al. | High‐entropy materials for water electrolysis | |
| Guo et al. | The hydrogen generation from alkaline NaBH4 solution by using electroplated amorphous Co–Ni–P film catalysts | |
| JP6956144B2 (en) | Water electrolysis composite electrode integrated separation plate and water electrolysis stack | |
| JP5568865B2 (en) | Gas decomposition element | |
| KR20020013778A (en) | A supported metal membrane, a process for its preparation and use | |
| KR20160072188A (en) | Positive electrode for alkaline water electrolysis | |
| JP2007324120A (en) | Porous nickel film forming method, relating article, and component | |
| Chatterjee et al. | Development of chromium barrier coatings for solid oxide fuel cells | |
| Aghasibeig et al. | Fabrication of nickel electrode coatings by combination of atmospheric and suspension plasma spray processes | |
| JP2024500695A (en) | Method for manufacturing bipolar plates and bipolar plates for electrochemical cells | |
| EP1015655B1 (en) | Skeletal columnar coatings | |
| Lapushkina et al. | Contribution in optimization of Zn Cold-sprayed coating dedicated to corrosion applications | |
| JP2009202148A (en) | Method for producing catalyst carrier and catalyst carrier | |
| Samadi et al. | Plasma electrolytic oxidation layers as alternative supports for metallic catalysts used in oxidation reaction for environmental application | |
| CN110396659A (en) | A kind of porous material and coating production | |
| FI20207110A1 (en) | Method of producing a porous catalytic layer using pulsed laser coating for production of hydrogen | |
| JP2002329507A (en) | Electrochemical cell | |
| JP2010159472A (en) | Ammonia decomposing element | |
| JP4988334B2 (en) | Method for producing a layer system comprising a metal carrier and an anode working layer | |
| Wang et al. | A facile preparation of novel Pt-decorated Ti electrode for methanol electro-oxidation by high-energy micro-arc cladding technique | |
| Aghasibeig et al. | Three-dimensional electrode coatings for hydrogen production manufactured by combined atmospheric and suspension plasma spray | |
| US11883811B2 (en) | Catalyst material and method of manufacturing the same | |
| US11548067B2 (en) | Method for producing an open-pored metal body having an oxide layer and metal body produced by said method | |
| CN107636203B (en) | Method for producing a metal coating having macropores, substrate coated with such a coating and use of such a substrate | |
| JP2010158648A (en) | NOx DECOMPOSITION ELEMENT |