【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及涂层材料，具体为一种导电耐蚀涂层及其制备方法和应用。
技术介绍
1、质子交换膜水电解槽广泛应用于能源领域，因其可以在高电流密度(约为2 a·cm-2)和宽温度范围(50～80℃)下稳定运行，且可以获得高纯度的氢气(约为99.99%)，被认为是极具开发潜力的。质子交换膜水电解槽主要由极板、气体扩散层、催化层和质子交换膜组成。目前，制约质子交换膜水电解槽应用的主要因素在于成本，其中极板材料和制造成本占质子交换膜水电解槽总成本的40～60%。极板材料失效的因素有多种，例如电流的不均匀分布、高温环境、质子交换膜的降解、氧离子或氢离子的局部富集等。极板通常需要满足两个基本指标：低界面接触电阻和优异的耐腐蚀性能。
2、金属极板因其可加工成超薄极板而被广泛用于高功率电解槽，常见的金属极板材料有不锈钢、钛及其合金和铝合金等。长时间暴露在高电位、高温度和强酸性的环境中，极板材料发生腐蚀氧化是导致质子交换膜水电解槽的极板界面接触电阻增加和运行效率下降的主要原因。为了保证极板表面水分解反应的稳定进行，优先考虑在极板表面制备导电、耐蚀的涂层。通常，贵金属沉积、金属碳化物或氮化物沉积可以有效阻止溶液中的侵蚀性离子对极板造成的腐蚀，但在制备过程中会形成大量的涂层缺陷，例如孔隙、裂纹或柱状晶粒，导致极板的耐久性下降。因此，开发一种极板用导电耐蚀涂层，其具有较好的导电性和耐蚀性、较高的热稳定性和化学稳定性，可以大幅度提升极板的耐久性，保证质子交换膜水电解槽的运行效率。
技术实现思路
1、
2、为解决上述技术问题，根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供了如下技术方案：
3、一种导电耐蚀涂层，利用真空气相沉积方法沉积在金属极板基底上，所述导电耐蚀涂层由三层结构组成，分别为ti底层、tinb中间层和tinbn顶层；
4、所述tinb中间层是由ti原子和nb原子组成的交叠层，所述交叠层由ti金属和nb金属交替镀膜沉积形成；
5、所述tinbn顶层是由ti原子、nb原子和n原子组成的混合层；所述混合层由ti的氮化物和nb的氮化物交替镀膜沉积形成。
6、作为本专利技术所述的一种导电耐蚀涂层的优选方案，其中：ti底层的厚度为1～200nm，tinb中间层的厚度为1～400 nm，tinbn顶层的厚度为1～4000 nm。
7、为解决上述技术问题，根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供了如下技术方案：
8、一种上述的导电耐蚀涂层的制备方法，包括如下步骤：
9、s1、通入氩气，利用真空气相沉积方法在金属极板基底的至少一侧进行镀膜，形成ti底层；
10、s2、通入氩气，利用真空气相沉积方法，在所述ti底层上进行交替镀膜，形成tinb中间层；
11、s3、通入氮气和氩气形成混合气体，利用真空气相沉积方法，在所述tinb中间层上进行交替镀膜，形成tinbn顶层。
12、作为本专利技术所述的一种导电耐蚀涂层的制备方法的优选方案，其中：所述步骤s1中，沉积温度为150～600℃，沉积气压压强为3×10-3～7×10-3 mbar，偏压为50～500 v，沉积时间为1～400 min，磁场强度为1～3 a/m，沉积功率为5～20 kw。
13、作为本专利技术所述的一种导电耐蚀涂层的制备方法的优选方案，其中：所述步骤s2中，沉积温度为150～600℃，沉积气压压强为3×10-3～7×10-3 mbar，偏压为50～500 v，沉积时间为1～400 min，磁场强度为1～3 a/m，沉积功率为5～20 kw。
14、作为本专利技术所述的一种导电耐蚀涂层的制备方法的优选方案，其中：所述步骤s2中，交替镀膜次数为1～50次。
15、作为本专利技术所述的一种导电耐蚀涂层的制备方法的优选方案，其中：所述步骤s2中，交替镀膜的第一层为ti金属或nb金属。
16、作为本专利技术所述的一种导电耐蚀涂层的制备方法的优选方案，其中：所述步骤s3中，沉积温度为150～600℃，沉积气压压强为3×10-3～7×10-3 mbar，偏压为50～500 v，沉积时间为1～400 min，磁场强度为1～3 a/m，沉积功率为5～20 kw。
17、作为本专利技术所述的一种导电耐蚀涂层的制备方法的优选方案，其中：所述步骤s3中，交替镀膜次数为1～50次。
18、作为本专利技术所述的一种导电耐蚀涂层的制备方法的优选方案，其中：所述步骤s3中，所述交替镀膜的第一层为ti的氮化物或nb的氮化物。
19、作为本专利技术所述的一种导电耐蚀涂层的制备方法的优选方案，其中：所述步骤s3中，所述混合气体的气体流速为100～200 sccm，氮气的流速为10～30 sccm。
20、为解决上述技术问题，根据本专利技术的另一个方面，本专利技术提供了如下技术方案：
21、一种金属极板，包括金属极板基底和上述的导电耐蚀涂层。
22、一种质子交换膜水电解槽，包括上述的金属极板。
23、本专利技术的有益效果如下：
24、本专利技术提出一种导电耐蚀涂层及其制备方法和应用，利用真空气相沉积方法在金属极板基底上沉积导电耐蚀涂层，所述导电耐蚀涂层由三层结构组成，分别为ti底层、tinb中间层和tinbn顶层；所述tinb中间层是由ti原子和nb原子组成的交叠层，所述交叠层由ti金属和nb金属交替镀膜沉积形成；所述tinbn顶层是由ti原子、nb原子和n原子组成的混合层；所述混合层由ti的氮化物和nb的氮化物交替镀膜沉积形成。本专利技术的导电耐蚀涂层中没有观察到裂纹和孔隙等缺陷，致密性好，具有更低的界面接触电阻、更高的腐蚀电位和更低的腐蚀电流，具有优异的导电性能和耐腐蚀性能，解决了金属极板在质子交换膜水电解槽工作环境下的氧化问题，进而保证了质子交换膜水电解槽的稳定运行效率。
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1.一种导电耐蚀涂层，其特征在于，利用真空气相沉积方法沉积在金属极板基底上，所述导电耐蚀涂层由三层结构组成，分别为Ti底层、TiNb中间层和TiNbN顶层；
2.根据权利要求1所述的导电耐蚀涂层，其特征在于，Ti底层的厚度为1～200 nm，TiNb中间层的厚度为1～400 nm，TiNbN顶层的厚度为1～4000 nm。
3.一种权利要求1或2所述的导电耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的导电耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，沉积温度为150～600℃，沉积气压压强为3×10-3～7×10-3 mbar，偏压为50～500 V，沉积时间为1～400 min，磁场强度为1～3 A/m，沉积功率为5～20 kW。
5.根据权利要求3所述的导电耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，沉积温度为150～600℃，沉积气压压强为3×10-3～7×10-3 mbar，偏压为50～500 V，沉积时间为1～400 min，磁场强度为1～3 A/m，沉积功率为5～20 kW。
7.根据权利要求3所述的导电耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S2和S3中，交替镀膜次数为1～50次。
8.根据权利要求3所述的导电耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，所述混合气体的气体流速为100～200 sccm，氮气的流速为10～30 sccm。
9.一种金属极板，其特征在于，包括金属极板基底和权利要求1或2所述的导电耐蚀涂层。
10.一种质子交换膜水电解槽，其特征在于，包括权利要求9所述的金属极板。
...【技术特征摘要】
1.一种导电耐蚀涂层，其特征在于，利用真空气相沉积方法沉积在金属极板基底上，所述导电耐蚀涂层由三层结构组成，分别为ti底层、tinb中间层和tinbn顶层；
2.根据权利要求1所述的导电耐蚀涂层，其特征在于，ti底层的厚度为1～200 nm，tinb中间层的厚度为1～400 nm，tinbn顶层的厚度为1～4000 nm。
3.一种权利要求1或2所述的导电耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
4.根据权利要求3所述的导电耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，沉积温度为150～600℃，沉积气压压强为3×10-3～7×10-3 mbar，偏压为50～500 v，沉积时间为1～400 min，磁场强度为1～3 a/m，沉积功率为5～20 kw。
5.根据权利要求3所述的导电耐蚀涂层的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，沉积温度为150～600℃，沉积气压压强为3×10-3～7×10-3 mb...
【专利技术属性】
技术研发人员：董超芳，罗谢景，常璐琦，丁英语，张久宏，李晓刚，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：
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