用于高效质子交换膜（PEM）水电解的钛多孔传输层的增材制造

《Materials Today Sustainability》：Additive manufacturing of titanium porous transport layers for efficient PEM water electrolysis

激光粉末床熔融制备多孔传输层及其性能优化研究。采用μCT和MIP表征发现，激光增材制造（L-PBF）的钛基PTL具有更小（10.91μm）且均匀的孔隙入口直径、优化的孔隙率（43-49%）及各向异性微通道结构，显著降低电化学电阻21%，提升催化剂利用效率。表面形貌分析显示L-PBF PTL的粗糙度（Ra=12.66μm）较传统烧结法（Ra=7.89μm）更突出，但增强的界面接触有效改善电化学性能。研究证实L-PBF技术为PEMWE核心部件制造提供了新范式，未来需结合高电流密度测试及多尺度建模优化设计。

　　在面对全球对可持续能源解决方案的迫切需求时，绿色氢能作为应对气候变化的关键技术之一，正逐渐成为研究和工业应用的热点。水电解技术是绿色氢能生产的核心手段，而质子交换膜水电解槽（PEMWE）因其高效、紧凑的设计以及能够适应高电流密度和负载波动的能力，被认为是最具前景的电解槽类型之一。然而，其大规模应用仍面临经济和技术上的挑战，尤其是电解槽材料和制造成本的问题。为此，研究者们不断探索新的制造工艺，以期在性能和成本之间找到最佳平衡点。

在这一背景下，研究聚焦于一种新型制造方法——激光粉末床熔融（L-PBF），用于生产具有多孔结构的传输层（PTL）。传统方法如烧结虽然已广泛应用于PTL制造，但在控制结构形态、孔隙分布和组件集成方面存在局限。此外，烧结过程通常能耗较高，且难以实现精确的结构调控。相比之下，L-PBF作为一种增材制造（AM）技术，能够通过精确控制激光参数，实现对孔隙率、孔结构和表面形貌的优化，从而提升电解槽的整体性能。

本研究选取了钛作为PTL的主要材料，因其在电化学性能、耐腐蚀性和机械强度方面具有显著优势。为了实现理想的孔隙率（43–49%），研究团队通过优化激光功率、扫描速度、 hatch距离和粉末层厚度等参数，成功制造出符合要求的PTL样品。通过微CT、汞渗透孔隙率（MIP）和表面轮廓仪等技术，对PTL的内部孔隙结构和表面形貌进行了系统分析。结果表明，L-PBF制造的PTL具有明显的各向异性孔结构，其中微通道的直径为10.91 μm，这有助于提高气体和液体的传输效率。同时，其表面形貌呈现出更复杂的纹理，通过部分熔化的粉末颗粒与催化剂层形成更紧密的接触，从而降低界面电阻，提高电化学性能。

在性能评估方面，研究团队将制造的PTL样品安装在实验室规模的PEMWE系统中，通过极化曲线分析其电化学行为。结果显示，L-PBF制造的PTL在0.4 A/cm2电流密度下，相比烧结PTL实现了约130 mV的电压降低，这主要归因于其降低了欧姆电阻，达到了21%的性能提升。这种性能优势源于L-PBF制造的PTL在结构设计上的创新，如微通道的定向排列和表面纹理的优化，这些特性显著提升了电极与催化剂层之间的接触效率。

进一步分析发现，L-PBF制造的PTL在孔隙率和孔径分布方面均表现出优化特征。其孔隙率处于文献推荐的30–50%的最佳区间，而孔径分布更加均匀，有助于减少传输阻力并提高电流密度下的效率。尽管MIP测量结果显示L-PBF样品的渗透性略低于烧结样品，但其各向异性的微通道结构弥补了这一不足，提供了更高效的定向传输路径。这种结构优势使得L-PBF制造的PTL在特定的电化学条件下表现出更高的性能。

研究还发现，L-PBF制造的PTL在表面形貌上具有独特的特征。与烧结PTL的平坦表面不同，L-PBF样品表面呈现出明显的峰谷结构，这不仅增加了与催化剂层的接触面积，还通过微颗粒的局部熔融提高了界面的稳定性。这种表面特性对提升电解槽的整体效率具有重要意义，尤其是在高电流密度运行时，能够有效减少界面电阻，提高电荷传输效率。

从制造的角度来看，L-PBF技术的优势在于其高度的可设计性和材料利用率。相比传统烧结方法，L-PBF能够在不牺牲性能的前提下，减少材料浪费和能源消耗。此外，该技术允许制造复杂结构的PTL，如梯度孔隙分布和定向微通道，这些结构在传统工艺中难以实现。因此，L-PBF不仅能够满足当前PEMWE对PTL的性能需求，还为未来进一步优化电解槽组件提供了更大的设计空间。

尽管本研究的实验条件（如较低的电流密度和较高的系统电阻）可能限制了部分性能表现，但其结果仍然显示出L-PBF制造的PTL在关键性能指标上的显著提升。这为后续研究提供了重要的参考，特别是在如何进一步优化PTL结构以提高运输性能、验证其在高电流密度下的表现、评估长期运行稳定性以及开发相关的计算模型等方面。未来的研究可以聚焦于这些领域，以推动L-PBF技术在绿色氢能生产中的广泛应用。

综上所述，L-PBF技术在PTL制造中的应用展现出巨大的潜力。它不仅能够克服传统烧结方法在结构控制方面的局限，还能通过精确的参数调整实现更优的电化学性能。随着研究的深入和技术的进步，L-PBF有望成为PEMWE组件制造的主流技术，为绿色氢能的发展提供强有力的支持。