西交大JMST：PEMWE钛双极板上高导电性耐腐蚀NbN涂层

质子交换膜水电解(PEMWE)技术是一种极具发展前景的绿色氢能源生产技术，而在质子交换膜水电解电池的核心部件——双极板(BP)上开发高导电性和耐腐蚀性的涂层至关重要。本研究通过磁控溅射在Ti BP表面沉积NbN涂层，提高了涂层的耐蚀性和导电性，并对工作压力、分氮压力和沉积温度等关键工艺参数进行了优化。研究发现，致密的微观结构、高导电性的δ-NbN和均匀的纳米颗粒在协同提高NbN涂层的耐蚀性和导电性方面起主导作用。优化后的NbN涂层具有优异的耐腐蚀性能，腐蚀电流密度为1.1×10−8 A cm−2，相对SCE电位值为-0.005 V, ICR值为15.8 mΩ cm2 @ 1.5 MPa。因此，NbN涂层是开发低成本、高防腐的PEMWE Ti BP的理想选择。

(a-d)不同工作压力下制备的NbN涂层的表面形貌和(e-h)截面形貌:(a, e) 0.6 Pa， (b, f) 0.8 Pa， (c, g) 1.0 Pa， (d, h) 1.2 Pa;(i)纳米颗粒平均尺寸;(j) NbN涂层中水接触角与纳米颗粒尺寸的关系;(k) XRD;(l)动电位极化;(m) NbN涂层的ICR值;(n) 1.5 MPa下ICR值与纳米颗粒尺寸的函数关系。

在不同工作压力下沉积的NbN涂层的EIS:(a) Nyquist图和(b) Bode图。

(a-f)不同N2/Ar流量比下制备的NbN涂层的表面和截面形貌:(a) 1:1， (b) 1:3， (c) 1:4， (d) 1:6， (e) 1:8和(f) 1:10;(g)纳米颗粒的平均尺寸;(h)纳米颗粒尺寸与水接触角的关系;(i) XRD图谱;(j)动电位极化;(k) NbN涂层的ICR值;(l) 1.5 MPa下ICR值随纳米颗粒尺寸的变化规律。

不同N2/Ar流量比下沉积的NbN涂层的EIS:(a) Nyquist图和(b) Bode图。

(a- C)不同沉积温度下制备的NbN涂层的表面形貌和(d-f)截面形貌:(a, d) 25℃，(b, e) 300℃，(C, f) 400℃;(g)纳米颗粒尺寸;(h)水接触角与纳米颗粒尺寸的关系;(i) XRD图谱;(j)透射电镜横截面图;(k) DT-300°C NbN涂层的HRTEM图像;(l)部分DT-300°C NbN涂层的SAED图案;(m)动电位极化;(n) NbN涂层的ICR值;(o) 1.5 MPa下ICR值随纳米颗粒尺寸的变化规律。

不同沉积温度下沉积的NbN涂层的EIS结果:(a) Nyquist图和(b) Bode图。

DT-300°C NbN涂层在0.5 mol/L H2SO4 + 2 ppm F−中80°C稳定性测试结果:(a)恒电位极化曲线;(b)奈奎斯特图和(c)波德图。

(a)极化前、(b)3.0 h和(c)10.0 h恒电位极化后NbN涂层的XPS全光谱;(d)极化前、(e)3.0 h和(f)10.0 h恒电位极化后NbN涂层的Nb 3d2/5 XPS光谱;;(g)极化前、(h)3.0 h和(i)10.0 h恒电位极化后NbN涂层的O 1s XPS。

(a)极化前、(b)3.0 h和(c)10.0 h恒电位极化后Ti衬底的表面形貌;(d)极化前、(e)3.0 h和(f)10.0 h恒电位极化后NbN涂层的表面形貌。

采用磁控溅射技术在Ti衬底上沉积NbN涂层，提高了PEMWE用Ti BP的耐腐蚀性和导电性。研究了NbN涂层的微观组织、表面形貌和相变对其耐腐蚀性能和导电性能的影响。主要结论如下:(1)致密的微观组织、分布均匀的纳米颗粒和δ-NbN相可以提高涂层的耐蚀性和导电性，其中微观组织起着至关重要的作用。(2)在工作压力为0.8 Pa、N2/Ar流量比为1:10、温度为300℃条件下沉积的致密无缺陷δ-NbN涂层具有优异的耐蚀性(Icorr为1.1×10−8 A cm−2)和导电性(ICR为15.8 mΩ cm2)。(3)相对于腐蚀沟对Ti基板的严重腐蚀，NbN涂层在恒电位极化3 h后仍然致密光滑，对Ti基板有一定的保护作用。

Highly conductive and corrosion-resistant NbN coatings on Ti bipolar plate for proton exchange membrane water electrolysis - ScienceDirect

https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.05.038