Тематическое исследование: Титановая пена для электролизеров воды ПЭМ

Введение

Компания Stanford Advanced Materials (SAM), надежный источник передовых материалов и специальных металлов, недавно поддержала университетский исследовательский проект в США, в рамках которого требовалась высококачественная титановая пена для электролизера воды PEM(Proton Exchange Membrane).

[1]

Задача

Исследовательская группа обратилась в SAM со следующими требованиями:

• Пригодность материала для исследований ПЭМ - титановая пена должна была продемонстрировать стабильность при воздействии высококислотных условий эксплуатации, характерных для электролизеров ПЭМ.
• Структурная целостность и пористость - пена должна была быть механически устойчивой и при этом обеспечивать подходящую сеть пор для облегчения диффузии газа и дисперсии катализатора.
• Размеры образца исследовательского масштаба - для испытания требовалась экспериментальная установка и тестирование листа титановой пены (20 см × 20 см × 5 мм) в лаборатории.

Решение

Технический консультантSAM рекомендовал использовать титановую пену TI1816, пористый титан сверхвысокого качества, широко используемый в энергетике и электрохимии.

Титановая пенаSAM содержит естественный оксидный слой, который защищает ее от коррозии в кислой среде. Поставляемая пена имела высокую площадь поверхности и открытую пористость, что повышало эффективность использования катализатора и способствовало эффективному выделению водорода и кислорода.

Результаты

Исследовательская группа успешно применила титановую пену SAM в своих исследованиях и разработках, связанных с водяными электролизерами PEM. Основными результатами стали:

• Проверка титановой пены в качестве подходящей подложки - Материал продемонстрировал потенциал для использования в качестве опоры электрода, отвечая требованиям к структуре и коррозионной стойкости.
• Повышение эффективности исследований - точные размеры позволили напрямую интегрировать материал в тестовые сборки без дополнительной обработки.
• Обеспечение НИОКР в области чистой энергии - Благодаря закупке титановой пены у SAM проект продолжил свою работу по оптимизации эффективности электролизеров и производства водорода.

Что такое титановая пена?

Титановая пена - это трехмерный пористый легкий металл, который сочетает в себе механические и химические преимущества титана с уникальными эксплуатационными характеристиками пенообразной структуры. Она изготавливается с помощью таких методов, как порошковая металлургия с использованием техники пространственных держателей, сублимационное литье или аддитивное производство (3D-печать), которые позволяют контролировать пористость, размер пор и однородность структуры.

Структурные особенности

Титановая пена обычно обладает пористостью в диапазоне от 40 до 80 %, и этот показатель может быть изменен в зависимости от желаемого применения. Размер пор может варьироваться от десятков микрон до нескольких миллиметров, что позволяет регулировать характеристики массопереноса. Несмотря на открытую структуру, прочность титановой пены на сжатие и жесткость по отношению к плотности очень высоки, что делает ее прочной под нагрузкой. Непрерывная металлическая структура обеспечивает хорошую электропроводность и, следовательно, подходит для использования в качестве опоры электрода или токоприемника.

Основные характеристики

1. Устойчивость к коррозии - покрытие титана TiO₂ устойчиво к кислотному и окислительному разрушению.
2. Высокая удельная площадь поверхности - обеспечивает большое количество реакционных площадок для облегчения электрохимических реакций и осаждения катализаторов.
3. Проницаемость для газов и жидкостей - поры соединены таким образом, что обеспечивается эффективное выделение газов и транспортировка воды.
4. Низкоплотная структура - более низкая плотность по сравнению с твердым титаном, но при этом сохраняется необходимая прочность.
5. Биосовместимость - нетоксичен и совместим с биологическими системами, поэтому в равной степени используется в биомедицинских приложениях.

Области применения титановой пены

• Энергетика и электрохимия: Титановая пена служит в качестве анодных подложек, катализаторов и токосъемников в водных электролизерах ПЭМ, а также в качестве проточных полей и газодиффузионных слоев в топливных элементах. Она также используется в качестве проводящих лесов в литий-ионных и твердотельных батареях.
• Биомедицинская инженерия: Благодаря биосовместимости и прочности титановая пена в костных скаффолдах и костных имплантатах улучшает остеоинтеграцию, а также используется в зубных протезах и хирургических имплантатах.
• Химическая обработка и катализ: Применяется в качестве каталитической поддержки в реакциях гидрирования и окисления, а также в электрохимических фильтрах и реакторах, требующих коррозионной стойкости.
• Аэрокосмическая и оборонная промышленность: Титановая пена обеспечивает легкие, устойчивые к коррозии структурные элементы и терморегулирующие композиты для аэрокосмических применений.

Почему именно титановая пена, а не другой материал?

При выборе материалов электродов и подложек для водяных электролизеров ПЭМ существует несколько вариантов, но титановая пена имеет определенные преимущества:

Для получения дополнительной информации и передовых материалов, пожалуйста, обратитесь к Stanford Advanced Materials (SAM).

Что такое титановая пена TI1816 от SAM?

TI1816 Titanium Foam - это уникальный пористый титановый материал, поставляемый компанией Stanford Advanced Materials. Поставляемый в листах специальных размеров, толщины и степени пористости для удовлетворения особых требований заказчика, он производится с высокой степенью чистоты и структурной однородности и особенно подходит для таких сложных сред, как электролиз, катализ и биомедицинские исследования.

Заключение

В рамках этого сотрудничества компания Stanford Advanced Materials предоставила титановую пену, изготовленную по индивидуальному заказу, для исследований в области водяного электролизера PEM. Компания SAM зарекомендовала себя как надежный партнер как для промышленных, так и для академических заказчиков, выполняя требования проекта к структуре и коррозионной стойкости, а также обеспечивая точные размеры.

Ссылки:

[1] Lettenmeier, Philipp & Gago, Aldo & Friedrich, K. (2017). Защитные покрытия для недорогих биполярных пластин и токосъемников электролизеров с протонообменной мембраной для крупномасштабного хранения энергии из возобновляемых источников. 10.5772/intechopen.68528.