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Corrosion-resistant and conductive Ti-Nb-O coatings tailored for ultra-low Pt-loaded BPPs and PTLs in PEM electrolyzers

यह अध्ययन प्रदर्शित करता है कि स्टेनलेस स्टील सबस्ट्रेट्स पर अनुकूलित Ti-Nb-O बाइलेयर कोटिंग्स के रिएक्टिव हाई-पावर इम्पल्स मैग्नेट्रॉन स्पटरिंग (HiPIMS) से PEM इलेक्ट्रोलाइज़र घटकों के लिए अत्यधिक सुचालक और संक्षारण-प्रतिरोधी सतह प्राप्त होती है, जो अमेरिकी DOE 2026 प्रदर्शन लक्ष्यों को पूरा करते हुए प्लैटिनम लोडिंग को अत्यंत कम (5 nm तक) करने में सक्षम बनाती है।

मूल लेखक: David Kolenatý, Jiří Čapek, Stanislav Haviar, Jiří Rezek, Radomír Čerstvý, Akash Kumar, Kalyani Shaji, Mariia Zhadko, Petr Zeman

प्रकाशित 2026-02-09

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CC BY 4.0

मूल लेखक: David Kolenatý, Jiří Čapek, Stanislav Haviar, Jiří Rezek, Radomír Čerstvý, Akash Kumar, Kalyani Shaji, Mariia Zhadko, Petr Zeman

मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। ✨ नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें

मुख्य तस्वीर: ग्रीन हाइड्रोजन को सस्ता बनाना

कल्पना कीजिए कि हम एक ऐसी मशीन बनाने की कोशिश कर रहे हैं जो पानी को हाइड्रोजन और ऑक्सीजन में विभाजित करके स्वच्छ ईंधन बना सके। इस मशीन को PEM इलेक्ट्रोलाइज़र (electrolyzer) कहा जाता है। इसे कुशलतापूर्वक चलाने के लिए, इसे धातु के दो मुख्य हिस्सों की आवश्यकता होती है:

बायपोलर प्लेट्स (BPPs): ये कारखाने के अलग-अलग कमरों (सेल्स) को अलग करने वाली "दीवारों" की तरह हैं, जो बिजली के प्रवाह को सही दिशा में बनाए रखती हैं।
पोरस ट्रांसपोर्ट लेयर्स (PTLs): ये "स्पंज" की तरह हैं जो पानी, गैस और बिजली को आसानी से गुजरने देते हैं।

समस्या:
इन हिस्सों को ऐसी धातु से बनाया जाना चाहिए जिसमें जंग (corrosion) न लगे, क्योंकि मशीन के अंदर का वातावरण बहुत कठोर और अम्लीय (acidic) होता है।

टाइटेनियम (Titanium) जंग रोकने में बेहतरीन है, लेकिन यह महंगा है और इसे आकार देना कठिन है।
स्टेनलेस स्टील (Stainless Steel) सस्ता और आकार देने में आसान है, लेकिन इसमें जल्दी जंग लग जाता है। यदि इसमें जंग लगता है, तो यह मशीन को खराब कर देता है और काम करना बंद कर देता है।

इस समस्या को हल करने के लिए, इंजीनियर आमतौर पर इन धातु के हिस्सों पर प्लेटिनम (एक कीमती धातु जैसे सोना) की एक मोटी परत चढ़ाते हैं। प्लेटिनम एक "सुपर-हीरो" की तरह है जो जंग को रोकता है और बिजली का संचालन भी बखूबी करता है। हालांकि, प्लेटिनम अविश्वसनीय रूप से महंगा है, जिससे पूरी मशीन आम लोगों के उपयोग के लिए बहुत महंगी हो जाती है।

समाधान: धातु के लिए एक "स्मार्ट सूट"

शोधकर्ताओं ने इस शोध पत्र में धातु के हिस्सों के लिए एक नए प्रकार के "स्मार्ट सूट" (कोटिंग) को विकसित किया है। एक मोटी, महंगी प्लेटिनम कोट की परत लगाने के बजाय, उन्होंने टाइटेनियम, नियोबियम और ऑक्सीजन (Ti–Nb–O) से बनी एक पतली, कस्टम-मेड परत बनाई।

उन्होंने इस सूट को स्टेनलेस स्टील की चादरों पर पेंट करने के लिए HiPIMS (High-Power Impulse Magnetron Sputtering) नामक एक हाई-टेक स्प्रे विधि का उपयोग किया। इस प्रक्रिया को एक बहुत ही सटीक, हाई-स्पीड एयरब्रश की तरह समझें जो परमाणु-दर-परमाणु (atom by atom) कोटिंग बनाता है।

उन्होंने इसे कैसे सफल बनाया

शोधकर्ताओं ने कोटिंग के साथ एक रेसिपी (नुस्खे) की तरह व्यवहार किया। उन्होंने सही मिश्रण खोजने के लिए दो मुख्य सामग्रियों को बदला:

ऑक्सीजन का स्तर: उन्होंने स्प्रे करते समय हवा में मौजूद ऑक्सीजन की मात्रा को नियंत्रित किया।
नियोबियम की मात्रा: उन्होंने नियोबियम (एक धातु जो टाइटेनियम के समान है) की मात्रा को बदला।

"गोल्डिलॉक्स" (Goldilocks) ज़ोन:

यदि वे बहुत अधिक ऑक्सीजन का उपयोग करते, तो कोटिंग एक सूखे स्पंज की तरह हो जाती—जंग रोकने में तो बेहतरीन, लेकिन बिजली को गुजरने देने में बहुत खराब (बहुत अधिक प्रतिरोध)।
यदि वे बहुत कम ऑक्सीजन का उपयोग करते, तो कोटिंग एक गीले स्पंज की तरह होती—बिजली के लिए अच्छी, लेकिन इसमें जल्दी जंग लग जाता।
विजेता: उन्हें एक "गोल्डिलॉक्स" मिश्रण मिला (विशेष रूप से, कम ऑक्सीजन स्तर के साथ मध्यम मात्रा में नियोबियम)। इसने एक ऐसी कोटिंग बनाई जो कॉम्पैक्ट (ठोस ईंट की दीवार की तरह घनी) और कंडक्टिव (जिससे बिजली आसानी से बह सके) थी।

जादू का कमाल: 5-नैनोमीटर की प्लेटिनम परत

अपने अद्भुत नए सूट के बावजूद, स्टेनलेस स्टील को अमेरिकी ऊर्जा विभाग (DOE) द्वारा निर्धारित सख्त सुरक्षा मानकों को पूरा करने के लिए थोड़े से प्लेटिनम की आवश्यकता थी।

यहाँ बड़ी सफलता मिली:

पुराना तरीका: जंग को रोकने और बिजली के प्रवाह को बनाए रखने के लिए आपको सैकड़ों नैनोमीटर की मोटी प्लेटिनम परत की आवश्यकता होती थी।
नया तरीका: क्योंकि शोधकर्ताओं का Ti–Nb–O सूट अपने काम में इतना अच्छा था, इसलिए उन्हें इसके ऊपर केवल 5-नैनोमीटर की प्लेटिनम परत जोड़ने की आवश्यकता थी।

उपमा (Analogy):
कल्पना कीजिए कि आप एक घर को गर्म रखने की कोशिश कर रहे हैं।

पुराना तरीका: आप घर को एक विशाल, मोटे ऊनी कंबल (मोटी प्लेटिनम परत) में लपेट देते हैं। यह काम तो करता है, लेकिन इसकी कीमत बहुत अधिक होती है।
नया तरीका: पहले आप घर को सुपर-इन्सुलेटेड, हाई-टेक ईंटों (Ti–Nb–O कोटिंग) से बनाते हैं। फिर, आप उसके ऊपर बस एक बहुत पतली, हाई-टेक थर्मल शीट (5nm प्लेटिनम) लगा देते हैं। घर उतना ही गर्म रहता है, लेकिन आपने महंगी सामग्री का 90-99% कम उपयोग किया।

परिणाम

शोधकर्ताओं ने एक कठोर रासायनिक स्नान (त्वरित संक्षारण परीक्षण - accelerated corrosion test) में वर्षों के टूट-फूट का अनुकरण करके अपनी नई कोटिंग का परीक्षण किया।

जंग प्रतिरोध (Rust Resistance): कोटिंग ने अविश्वसनीय रूप से अच्छा प्रदर्शन किया। जंग की मात्रा (corrosion current) इतनी कम थी कि वह लगभग शून्य थी, जो सरकारी सुरक्षा लक्ष्यों से कहीं बेहतर है।
बिजली का प्रवाह: इस कठिन परीक्षण के बाद भी, बिजली अभी भी धातु के हिस्सों से आसानी से प्रवाहित हो सकती थी। संपर्क प्रतिरोध (contact resistance - कि बिजली को धातु से अगले हिस्से तक कूदने में कितनी कठिनाई होती है) बहुत कम बना रहा।
लागत बचत: प्लेटिनम की एक ऐसी परत का उपयोग करके जो सामान्य उपयोग से 10 से 100 गुना पतली है, वे मशीन की लागत को भारी रूप से कम कर सके।

सारांश

यह शोध पत्र दिखाता है कि टाइटेनियम, नियोबियम और ऑक्सीजन को सावधानीपूर्वक मिलाकर, वैज्ञानिकों ने हाइड्रोजन मशीनों के धातु के हिस्सों के लिए एक सुपर-स्ट्रॉन्ग, कंडक्टिव ढाल तैयार की है। यह ढाल इतनी प्रभावी है कि यह उन्हें महंगी प्लेटिनम की एक मोटी परत के बजाय सूक्ष्म मात्रा का उपयोग करने की अनुमति देती है। यह तकनीक को बिना स्थायित्व से समझौता किए, ग्रीन हाइड्रोजन उत्पादन के लिए बहुत सस्ता और अधिक व्यावहारिक बनाती है।

तकनीकी सारांश: अल्ट्रा-लो Pt-लोडेड PEM इलेक्ट्रोलाइज़र के लिए संक्षारण-प्रतिरोधी और प्रवाहकीय Ti–Nb–O कोटिंग्स

समस्या विवरण
प्रोटॉन एक्सचेंज मेम्ब्रेन (PEM) इलेक्ट्रोलाइज़र हरित हाइड्रोजन उत्पादन के लिए महत्वपूर्ण हैं, लेकिन कीमती धातुओं और महंगी आधार सामग्रियों पर निर्भरता के कारण उच्च पूंजीगत लागतों का सामना करते हैं। बाइपोलर प्लेट्स (BPPs) और पोरस ट्रांसपोर्ट लेयर्स (PTLs) स्टैक के वजन और लागत का एक महत्वपूर्ण हिस्सा होते हैं। जबकि टाइटेनियम उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध प्रदान करता है, यह महंगा है, मशीनिंग में कठिन है और हाइड्रोजन एम्ब्रिटलमेंट (हाइड्रोजन भंगुरता) के प्रति संवेदनशील है; इसके अलावा, इसकी मूल ऑक्साइड परत इंटरफेशियल संपर्क प्रतिरोध (ICR) को बढ़ा देती है। स्टेनलेस स्टील एक लागत प्रभावी विकल्प है लेकिन कठोर एनोडिक वातावरण में संक्षारण से ग्रस्त होता है, जिससे धातु आयन विलेयता (जैसे, Fe²⁺) होती है जो उत्प्रेरक और झिल्ली को विषाक्त करती है, साथ ही इंसुलेटिंग ऑक्साइड परतों का निर्माण होता है जो दक्षता को कम करता है।

वर्तमान समाधानों में अक्सर कम ICR और संक्षारण प्रतिरोध सुनिश्चित करने के लिए मोटे कीमती धातु कोटिंग्स (जैसे, सैकड़ों नैनोमीटर Pt, Au, या Ag) शामिल होते हैं, जो सिस्टम की लागत को काफी बढ़ा देते हैं। अमेरिकी ऊर्जा विभाग (DOE) 2026 के लिए कड़े लक्ष्य निर्धारित करता है, जिसके लिए त्वरित संक्षारण परीक्षण के बाद ICR को 10 mΩ·cm² से नीचे और संक्षारण धारा घनत्व ( $J_{corr}$ ) को 1 µA/cm² से नीचे रखने की आवश्यकता है। चुनौती ऐसी कोटिंग्स विकसित करने की है जो इन स्थायित्व और चालकता लक्ष्यों को पूरा करें और साथ ही कीमती धातुओं की लोडिंग को काफी कम कर दें।

कार्यप्रणाली
लेखकों ने reactive High-Power Impulse Magnetron Sputtering (HiPIMS) का उपयोग करके AISI 316L स्टेनलेस स्टील सबस्ट्रेट्स पर जमा की गई 200 nm-मोटी द्विपरत (bilayer) Ti–Nb–O कोटिंग्स को विकसित और मूल्यांकित किया।

निक्षेपण प्रक्रिया (Deposition Process): इस प्रक्रिया में आसंजन (adhesion) सुनिश्चित करने के लिए शुद्ध Ar में जमा की गई एक निचली परत शामिल थी, जिसके बाद एक ऊपरी परत थी जहाँ ऑक्सीजन आंशिक दबाव ( $p_{ox}$ ) को सटीक रूप से नियंत्रित किया गया था (0, 3, 5, और 8 mPa) और Nb सामग्री को Ti लक्ष्य पर एक Nb स्ट्रिप के सापेक्ष नमूने की स्थिति को समायोजित करके बदला गया था।
विशेषण (Characterization): तत्वों की संरचना का विश्लेषण वेवलेंथ डिस्पर्सिव स्पेक्ट्रोस्कोपी (WDS) के माध्यम से किया गया, और क्रिस्टल संरचना का X-ray विवर्तन (XRD) के माध्यम से विश्लेषण किया गया। विद्युत प्रतिरोधकता को फोर-पॉइंट प्रोब का उपयोग करके मापा गया।
प्रदर्शन परीक्षण: नमूनों को H₂SO₄ इलेक्ट्रोलाइट (pH 5.0) में 60°C पर 2 V vs. SHE (2.3 V vs. RHE) पर पोटेंशियोस्टैटिक पोलराइजेशन के साथ त्वरित संक्षारण परीक्षण के अधीन किया गया।
ICR मापन: इंटरफेशियल संपर्क प्रतिरोध (ICR) को संक्षारण परीक्षण से पहले और बाद में कार्बन गैस डिफ्यूजन लेयर (GDL) और गोल्ड-कोटिंग वाले कॉपर इलेक्ट्रोड का उपयोग करके 0.3–2 MPa के संपीड़न दबावों के तहत मापा गया।
Pt ओवरलेयर रणनीति: कीमती धातु के उपयोग को कम करने की क्षमता का मूल्यांकन करने के लिए, अनुकूलित कोटिंग्स पर 5 nm का Pt ओवरलेयर RF स्पटरिंग के माध्यम से लगाया गया, और प्रदर्शन का पुनर्मूल्यांकन DOE लक्ष्यों के विरुद्ध किया गया।

प्रमुख परिणाम

संरचना और संगठन: कोटिंग्स में ऑक्सीजन की मात्रा को $p_{ox}$ द्वारा सीधे नियंत्रित किया गया था। $p_{ox} = 0$ mPa पर, कोटिंग्स हेक्सागोनल $\alpha$ -Ti द्वारा प्रधान थीं। $p_{ox} = 3$ mPa पर, एक सबस्टोइचियोमेट्रिक क्यूबिक TiO $_x$ चरण $\alpha$ -Ti के साथ बना। उच्च ऑक्सीजन दबाव (5 और 8 mPa) ने मुख्य रूप से क्यूबिक TiO $_x$ के साथ बढ़ता अमोर्फस (amorphous) लक्षण दिखाया। पाया गया कि Nb, दोनों चरणों के क्रिस्टल जाली (crystal lattices) में प्रतिस्थापनी (substitutionally) रूप से घुला हुआ था।
विद्युत और संक्षारण गुण:
- प्रतिरोधकता (Resistivity): सबसे कम विद्युत प्रतिरोधकता ( $\sim 10^{-4}$ Ω·cm) $p_{ox} = 0$ और 3 mPa पर प्राप्त की गई। उच्च ऑक्सीजन दबावों ने प्रतिरोधकता को एक क्रम (order of magnitude) से बढ़ा दिया।
- संक्षारण प्रतिरोध: सभी कोटिंग्स ने असाधारण संक्षारण प्रतिरोध प्रदर्शित किया, जिसमें त्वरित परीक्षण के बाद $J_{corr}$ मान 0.01 से 0.08 µA/cm² के बीच थे। ये मान DOE लक्ष्य से एक क्रम से भी अधिक कम हैं। $p_{ox} = 3$ mPa वाली कोटिंग्स ने सतह के पैसिवेशन (passivation) के कारण परीक्षण के बाद $J_{corr}$ में कमी दिखाई, जबकि उच्च $p_{ox}$ वाली कोटिंग्स ने दोष निर्माण के कारण मामूली वृद्धि दिखाई।
- ICR प्रदर्शन: बिना Pt ओवरलेयर के, अनुकूलित कोटिंग्स (विशेष रूप से मध्यम Nb सामग्री और $p_{ox} = 3$ mPa वाली) ने 7 mΩ·cm² से नीचे प्रारंभिक ICR मान प्राप्त किए। हालांकि, त्वरित संक्षारण के बाद, सतह के ऑक्सीकरण के कारण बिना कोटिंग वाली (bare) कोटिंग्स के ICR मान काफी बढ़ गए (500 mΩ·cm² से अधिक)।
अल्ट्रा-लो Pt लोडिंग का प्रभाव:
- अनुकूलित Ti–Nb–O कोटिंग्स (विशेष रूप से $p_{ox} = 3$ mPa वाली Ti–O परत) पर 5 nm का Pt ओवरलेयर लगाने से पोस्ट-कोरोशन ICR घटकर 5.6 mΩ·cm हो गया, जो सफलतापूर्वक DOE लक्ष्य (<10 mΩ·cm) को पूरा करता है।
- Pt की मोटाई को 5 nm से अधिक बढ़ाने (जैसे, 20 nm) से ICR में कोई और सुधार नहीं हुआ।
- 5 nm की Pt परत ने उच्च सतह चालकता को प्रभावी ढंग से बनाए रखा और बिना कोटिंग वाली कोटिंग्स में देखे जाने वाले ICR क्षरण को रोका, जबकि अंतर्निहित Ti–Nb–O परत आवश्यक संक्षारण अवरोध प्रदान करती है।

महत्व और दावे
यह शोध दावा करता है कि विकसित Ti–Nb–O द्विपरत कोटिंग्स, जिन्हें HiPIMS के माध्यम से तैयार किया गया है, उच्च विद्युत चालकता और अत्यधिक संक्षारण प्रतिरोध को एक साथ प्राप्त करने में सक्षम हैं। इस कार्य का प्राथमिक महत्व यह प्रदर्शन है कि एक Pt ओवरलेयर जो केवल 5 nm जितना पतला है, का उपयोग करके त्वरित संक्षारण परीक्षण के बाद भी DOE ICR लक्ष्य को प्राप्त किया जा सकता है। यह उन पारंपरिक दृष्टिकोणों की तुलना में कीमती धातुओं की लोडिंग को दो क्रम (two orders of magnitude) तक कम करने का प्रतिनिधित्व करता है जिनमें आमतौर पर सैकड़ों नैनोमीटर की आवश्यकता होती है।

लेखक इस बात पर जोर देते हैं कि हालांकि अंतर्निहित कोटिंग अकेले लंबे समय तक ऑक्सीकरण के बाद कम ICR बनाए रखने में सक्षम नहीं है, लेकिन कॉम्पैक्ट, प्रवाहकीय Ti–Nb–O सबस्ट्रेट और अल्ट्रा-थिन Pt परत के बीच तालमेल एक टिकाऊ, लागत प्रभावी समाधान प्रदान करता है। यह दृष्टिकोण 80,000 घंटे के परिचालन जीवनकाल लक्ष्यों से समझौता किए बिना कीमती धातुओं पर निर्भरता को काफी कम करता है। अध्ययन नोट करता है कि हालांकि परिणाम फ्लैट स्टेनलेस स्टील शीट पर प्राप्त किए गए थे, कोटिंग प्रोटोकॉल को जटिल BPP और PTL ज्यामिति के लिए अनुकूलित करने के लिए डिज़ाइन किया गया है, हालांकि वास्तविक घटक आर्किटेक्चर पर वास्तविक सत्यापन की आवश्यकता है।