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

本研究表明，通过高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）在不锈钢基底上制备定制的 Ti-Nb-O 双层涂层，可产生具有高导电性和高耐腐蚀性的表面，用于质子交换膜（PEM）电解槽组件，从而在满足美国能源部（U.S. DOE）2026年性能目标的同时，实现极低的铂负载量（低至 5 nm）。

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

发布于 2026-02-09

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CC BY 4.0

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

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

大局观：让绿氢变得更便宜

想象一下，我们正试图制造一台能将水分解成氢气和氧气的机器，以生产清洁燃料。这台机器被称为 PEM 电解槽。为了让它高效运转，它需要两个主要的金属部件：

双极板 (BPPs)： 它们就像是工厂中分隔不同房间（电解池）的“墙壁”，负责让电流朝着正确的方向流动。
多孔传输层 (PTLs)： 它们就像是“海绵”，让水、气体和电流能够轻松穿过。

问题所在：
这些部件需要由在机器内部严苛且具有酸性的环境中不会生锈（腐蚀）的金属制成。

钛 (Titanium) 非常擅长防锈，但它价格昂贵且难以塑形。
不锈钢 (Stainless Steel) 既便宜又易于塑形，但它很容易生锈。一旦生锈，它就会“毒害”机器并导致停机。

为了解决这个问题，工程师通常会在这些金属部件上涂一层厚厚的铂 (Platinum)（一种像黄金一样珍贵的贵金属）。铂是防止生锈并完美导电的“超级英雄”。然而，铂的价格极其昂贵，使得整台机器对于普通人来说成本过高，难以普及。

解决方案：金属的“智能防护服”

研究人员在这篇论文中开发了一种新型的“智能防护服”（涂层）。他们不再使用厚重的、昂贵的铂涂层，而是创造了一种由钛、铌和氧（Ti–Nb–O）组成的定制薄层。

他们使用了一种名为 HiPIMS（高功率脉冲磁控溅射）的高科技喷涂方法，将这套“防护服”喷涂在不锈钢板上。你可以把这个过程想象成一个非常精准、高速的喷笔，正在原子级别地构建这层涂层。

他们是如何实现的

研究人员像对待食谱一样对待这种涂层。他们通过改变两个主要成分来寻找完美的配比：

含氧量： 他们控制了喷涂时空气中的氧气含量。
铌的含量： 他们改变了添加铌（一种与钛类似的金属）的量。

“金发姑娘”区域（恰到好处的状态）：

如果氧气太多，涂层就会变得像一块干透的海绵——虽然很擅长防锈，但导电性能很差（电阻过大）。
如果氧气太少，涂层就会像一块湿润的海绵——导电性好，但会很快生锈。
胜出者： 他们找到了一个“金发姑娘”式的完美比例（具体为较低的含氧量配合适量的铌）。这创造了一种既致密（紧凑且坚硬，像一面实心的砖墙）又导电（让电流轻松流动）的涂层。

魔术时刻：5 纳米的铂层

即便有了这套出色的“智能防护服”，不锈钢仍然需要极少量的铂，以满足美国能源部 (DOE) 制定的严格安全标准。

以下是突破点：

旧方法： 你需要一层厚厚的铂（数百纳米）来防止生锈并保持电流流动。
新方法： 由于研究人员的 Ti–Nb–O 防护服表现极其出色，他们只需要在上面添加一层仅 5 纳米厚的铂。

类比：
想象你正在尝试让房子保持温暖。

旧方法： 你用一条巨大的、厚重的羊毛毯包裹房子（厚铂层）。虽然有效，但成本极高。
新方法： 你先用超强隔热的高科技砖块建造房子（Ti–Nb–O 涂层）。然后，你只需在上面覆盖一层极薄的高科技隔热片（5 纳米铂）。房子依然能保持同样温暖，但你节省了 90–99% 的昂贵材料。

研究结果

研究人员通过在严苛的化学浴中进行模拟多年磨损的测试（加速腐蚀测试），对他们的这种新涂层进行了测试。

抗锈能力： 涂层的表现极其出色。生锈量（腐蚀电流）极低，几乎为零，远优于政府设定的安全目标。
电流流动： 即使经过了严苛的测试，电流仍能轻易通过这些金属部件。接触电阻（即电流从金属跳跃到下一部分的难度）始终保持在极低水平。
成本节约： 通过使用比通常用法薄 10 到 100 倍的铂层，他们大幅降低了机器的成本。

总结

这篇论文表明，通过精确混合钛、铌和氧，科学家们为氢能机器的金属部件创造了一层超强的导电屏蔽层。这层屏蔽层如此高效，使得他们只需使用微量的昂贵铂，而非厚重的涂层。这使得生产绿氢的技术变得更加便宜且更具实用性，同时完全没有牺牲耐用性。

技术摘要：用于超低铂载量 PEM 电解槽的耐腐蚀导电型 Ti–Nb–O 涂层

问题陈述
质子交换膜（PEM）电解槽是绿色氢气生产的关键技术，但由于对贵金属和昂贵基材的依赖，面临着高资本成本的问题。双极板（BPP）和多孔传输层（PTL）占据了堆栈重量和成本的很大一部分。虽然钛具有优异的耐腐蚀性，但其成本高、加工困难且易发生氢脆；此外，其天然氧化层会增加界面接触电阻（ICR）。不锈钢是一种更具成本效益的替代品，但在严苛的阳极环境中容易发生腐蚀，导致金属离子（如 Fe²⁺）溶解，从而毒化催化剂和膜，并形成降低效率的绝缘氧化层。

目前的解决方案通常涉及厚重的贵金属涂层（例如数百纳米的 Pt、Au 或 Ag），以确保低 ICR 和耐腐蚀性，但这显著增加了系统成本。美国能源部（DOE）设定了严格的目标，要求到 2026 年，在加速腐蚀测试后，ICR 低于 10 mΩ·cm² 且腐蚀电流密度（ $J_{corr}$ ）低于 1 µA/cm²。挑战在于开发既能满足这些耐久性和导电性目标，又能大幅降低贵金属载量的涂层。

方法论
作者开发并评估了使用反应式高功率脉冲磁控溅射（HiPIMS）技术沉积在 AISI 316L 不锈钢基底上的 200 nm 厚双层 Ti–Nb–O 涂层。

沉积工艺： 该过程包括先用纯 Ar 沉积底层以确保附着力，随后是在精确控制氧分压（ $p_{ox}$ 为 0、3、5 和 8 mPa）的情况下沉积上层，并通过调整样品相对于 Ti 靶上 Nb 条的位置来改变铌（Nb）的含量。
表征： 通过波长色散光谱（WDS）分析元素组成，通过 X 射线衍射（XRD）分析晶体结构。使用四探针法测量电阻率。
性能测试： 样品经过加速腐蚀测试，包括在 60°C、pH 5.0 的 H₂SO₄ 电解液中，在 2 V vs. SHE（2.3 V vs. RHE）下进行恒电位极化 1 小时。
ICR 测量： 在加速腐蚀测试前后，使用碳气扩散层（GDL）和镀金铜电极，在 0.3–2 MPa 的压紧压力下测量界面接触电阻（ICR）。
铂过层策略： 为了评估降低贵金属使用的潜力，通过 RF 溅射在优化的涂层上应用了 5 nm 的 Pt 过层，并针对 DOE 目标重新评估了性能。

关键结果

成分与结构： 涂层中的氧含量受 $p_{ox}$ 直接控制。在 $p_{ox} = 0$ mPa 时，涂层以六方相 $\alpha$ -Ti 为主。在 $p_{ox} = 3$ mPa 时，形成了亚化学计量比的立方 TiO $_x$ 相与 $\alpha$ -Ti 共存。较高的氧压（5 和 8 mPa）导致以立方 TiO $_x$ 为主并表现出增加的非晶特性。研究发现 Nb 置换溶解在两种相的晶格中。
电学与腐蚀特性：
- 电阻率： 在 $p_{ox} = 0$ 和 3 mPa 时实现了最低电阻率（ $\sim 10^{-4}$ Ω·cm）。较高的氧压使电阻率增加了一个数量级。
- 耐腐蚀性： 所有涂层在加速测试后均表现出卓越的耐腐蚀性，其 $J_{corr}$ 值在 0.01 至 0.08 µA/cm² 之间。这些数值比 DOE 目标低一个数量级以上。 $p_{ox} = 3$ mPa 的涂层在测试后显示出 $J_{corr}$ 下降，这是由于表面钝化作用；而较高的 $p_{ox}$ 涂层显示出 $J_{corr}$ 轻微上升，这可能是由于缺陷形成所致。
- ICR 性能： 在没有 Pt 过层的情况下，优化后的涂层（特别是具有中间 Nb 含量且 $p_{ox} = 3$ mPa 的涂层）实现的初始 ICR 值低于 7 mΩ·cm². 然而，在加速腐蚀后，裸涂层的 ICR 会显著增加（超过 500 mΩ·cm²），这是由于表面氧化引起的。
超低铂载量的影响：
- 将 5 nm Pt 过层应用于优化的 Ti–Nb–O 涂层（特别是 $p_{ox} = 3$ mPa 时的 Ti–O 层）后，将腐蚀后的 ICR 降低至 5.6 mΩ·cm², 成功达到了 DOE 低于 10 mΩ·cm² 的目标。
- 将 Pt 厚度增加到 5 nm 以上（例如 20 nm）并不会进一步改善 ICR。
- 5 nm 的 Pt 层有效地维持了高表面导电性，并防止了裸涂层中常见的 ICR 退化，而底层的 Ti–Nb–O 层则提供了必要的腐蚀屏障。

意义与主张
本文声称，通过 HiPIMS 技术定制的 Ti–Nb–O 双层涂层能够同时实现高电导率和极高的耐腐蚀性。这项工作的核心意义在于证明了利用仅 5 nm 厚的 Pt 过层即可在加速腐蚀测试后达到 DOE 的 ICR 目标。与通常需要数百纳米贵金属的传统方法相比，这代表了铂载量高达两个数量级的降低。

作者强调，虽然底层涂层本身无法在长期氧化后维持低 ICR，但紧凑且导电的 Ti–Nb–O 基底与超薄 Pt 层之间的协同作用提供了一种耐用的、具有成本效益的 PEM 电解槽解决方案。这种方法在不损害 80,000 小时运行寿命目标的前提下，显著降低了对贵金属的依赖。研究指出，尽管结果是在平整的不锈钢片上获得的，但该涂层方案旨在适应复杂的 BPP 和 PTL 几何结构，不过仍需在实际组件架构上进行进一步验证。

大局观：让绿氢变得更便宜

解决方案：金属的“智能防护服”

他们是如何实现的

魔术时刻：5 纳米的铂层

研究结果

总结

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