氧化铱（IrO₂）是目前质子交换膜水电解（PEMWE）阳极不可或缺的催化剂材料，但其高昂的成本和

稀缺性对产业化构成严峻挑战。超声喷涂技术凭借其精密雾化与定向沉积特性，已成为实现氧化铱涂层

高效、低载量涂覆的关键工艺。以下将从技术原理、浆料工程、工艺控制及应用价值四个维度展开详细阐述。

氧化铱超声喷涂技术：原理、工艺与应用解析

1 引言：氧化铱涂层的战略价值与工艺挑战

在迈向碳中和的能源转型浪潮中，绿氢制备技术正以前所未有的速度发展。质子交换膜水电解制氢技术因其

效率高、响应快、氢气纯度高等突出优点，成为绿氢产业的核心技术路径。然而，在PEM水电解槽的心脏——

膜电极中，阳极侧的析氧反应催化剂氧化铱，正成为制约产业大规模商业化的核心成本瓶颈。

氧化铱是目前极少数能够在PEM水电解槽阳极强酸性（pH<2）、高电位（>1.6V）和强氧化环境下长期稳定

工作的催化剂材料。其高催化活性与卓越的稳定性使其成为不可替代的选择。然而，铱的资源稀缺性（全球

年产量仅约7-8吨）和昂贵的价格，迫使产业界必须寻求能够最大限度发挥其催化效率的精密涂覆工艺。在

这一背景下，氧化铱超声喷涂技术应运而生，凭借其卓越的均匀性、极高的材料利用率和精确可控的涂层

结构，正在成为解决铱资源瓶颈、降低绿氢制取成本的关键技术突破口。

2 超声喷涂核心技术原理

超声喷涂技术区别于传统的气动喷涂，其核心在于利用高频声波能量而非高速气流来实现液体雾化，这一

根本差异赋予了它在处理昂贵纳米材料时的独特优势。

2.1 超声波雾化机理

超声波喷涂设备的核心部件是压电换能器，它将高频电能转换为机械振动。当含有氧化铱纳米颗粒的浆料

被输送到超声喷嘴的雾化表面时，高频振动（通常频率在20kHz至120kHz之间）在液体中产生剧烈的

空化效应和毛细波。

具体而言，超声能量在液体介质中传播时，会交替产生压缩和稀疏区域，在稀疏区域形成负压，当负压

超过液体强度时，液体被"撕碎"产生微小空穴，这一现象即为空化效应。同时，喷嘴表面的高频振动在

液膜中激发特定频率的毛细波，当振动幅度达到临界值时，波峰从液面分离，形成微米级的液滴。这种

温和而精密的雾化过程，使得产生的液滴具有粒径分布极窄、初速度低（通常小于2m/s）的特点，

液滴直径可控制在10-30微米（Dv50） 范围内。

2.2 定向沉积与涂层构建

与传统喷涂中高速气流导致的"过喷"和"反弹"不同，超声喷涂产生的低速液滴呈"软着陆"方式沉积在

基底表面。这一特性对于在质子交换膜或多孔传输层上构建氧化铱涂层至关重要。

在沉积过程中，低动能的液滴不会冲击基底造成溅射，而是平稳铺展，形成连续的液膜。通过精确控制

喷涂路径（由X-Y三轴伺服系统或卷对卷系统实现）和沉积速率，可以在基底表面构建厚度从纳米级到

几十微米的均匀涂层。更重要的是，温和的沉积过程避免了高压气流对催化剂颗粒团聚体的破坏，能够

完整保留浆料设计所需的微观结构，形成具有均匀分布纳米级孔隙的理想电极结构。这种结构为反应物

（水）的进入和生成物（氧气）的逸出提供了高效通道，同时确保了充足的三相反应界面。

3 氧化铱浆料工程与工艺参数优化

氧化铱超声喷涂的成功不仅取决于雾化过程本身，更依赖于整个浆料体系和工艺参数的精确匹配。

3.1 稳定浆料配方设计

氧化铱纳米颗粒在溶剂中的分散稳定性是获得高质量涂层的前提。由于纳米颗粒具有极高的表面能，容易

发生团聚，导致喷涂过程中堵塞喷嘴或涂层不均匀。因此，浆料配方通常包含以下几个关键组分：

催化剂颗粒：氧化铱纳米颗粒，粒径通常控制在5-50nm范围内，以保证高比表面积和催化活性。

离聚物溶液：通常为Nafion离聚物，它在涂层中既充当粘结剂，又为质子传输提供通道。离聚物的含量

需要精确控制，过多会覆盖催化活性位点，过少则导致涂层机械强度不足。

溶剂体系：通常采用水与醇类（如异丙醇、乙醇）的混合溶剂，以调节浆料的表面张力和挥发速率。溶剂

的配比直接影响液滴在基底上的铺展行为和干燥速度。

分散剂与添加剂：少量分散剂有助于维持纳米颗粒的长期稳定悬浮，防止沉降。浆料的最终粘度通常控制在

10-100cP范围内，以确保最佳的雾化效率和沉积质量。

3.2 工艺参数协同调控

氧化铱超声喷涂是一个多参数耦合的精密过程，主要调控参数包括：

超声功率与频率：决定了雾化液滴的尺寸和生产速率。较高的频率产生更细小的液滴，适用于超薄涂层；

较低的频率则适用于较高产出需求的生产场景。

浆料供给速率：需要与雾化速率和基底移动速度精确匹配，过快的供给会导致涂层过厚或干燥不完全，

过慢则降低生产效率。

载气与辅助气流：虽然超声雾化本身不依赖高速气流，但通常需要微量的辅助载气（如氮气或空气）将

雾化液滴 gently 引导至基底表面，并帮助溶剂挥发。气流的形状和速度对沉积图案和效率有显著影响。

基底温度控制：适当的加热可以控制溶剂在液滴沉积后的挥发速率，避免因干燥过快导致的"咖啡环效应"

或干燥过慢导致的液滴聚集。对于Nafion膜等热敏性基底，温度必须严格控制以防止膜变形。

表：氧化铱超声喷涂关键工艺参数及其影响

4 工艺优势与应用价值

氧化铱超声喷涂技术在解决产业核心痛点方面展现出显著优势，其价值体现在微观结构优化和宏观经济

效益两个层面。

4.1 突破性的材料利用与成本节约

在传统喷涂工艺中，高速气流造成的过喷和反弹使得贵金属材料的利用率通常仅有30-50%，意味着近一半

的昂贵氧化铱未能有效沉积。超声喷涂技术通过低速定向沉积，将材料利用率大幅提升至90-95% 。这一

提升对于氧化铱这类昂贵材料具有革命性意义。研究表明，通过超声喷涂技术，在保持相同电解性能的前提

下，可将铱载量从传统的1-2 mg/cm²显著降低至0.3-0.6 mg/cm² 。对于一条年产100MW的PEM电解槽

生产线，这一减量意味着每年可节省数公斤铱金属，价值高达数千万元。

4.2 精准可控的涂层微观结构

超声喷涂技术能够构建传统工艺难以实现的理想电极结构。一方面，它可以形成厚度仅为0.5-3μm的超薄

均匀涂层，这种超薄结构不仅减少了铱用量，还显著缩短了质子传输路径，降低了欧姆阻抗。另一方面，

温和的雾化和沉积过程保留了浆料中理想的颗粒分散状态，形成了具有均匀分布的纳米级孔隙的多孔结构。

这种结构使得电化学活性面积显著提升，为高电流密度（>3A/cm²）下的稳定运行提供了保障。实际应用

数据显示，采用超声喷涂技术后，电解水制氢系统的电解效率可实现15%-20% 的显著提升。

4.3 产业化应用与未来展望

当前，氧化铱超声喷涂技术已从实验室走向规模化生产线。领先的设备供应商已开发出专为贵金属催化剂

设计的超声喷涂系统，集成多喷嘴阵列、在线厚度监测和卷对卷连续生产功能，能够满足从中试到量产的

不同需求。设备可支持幅宽达500mm、线速度1-5m/min的连续化生产，产品良率稳定保持在95%以上，

且批次一致性优异（涂层面密度±3%以内）。

尽管超声喷涂技术在氧化铱涂层制备中展现出显著优势，但仍面临一些挑战，如浆料稳定性要求高

（需防止纳米颗粒沉降或团聚）、工艺窗口较窄（需精确平衡多参数）以及行业标准化进程滞后等问题。

未来发展趋势包括向超低铱与铱合金催化剂涂覆延伸、与CCM生产线深度整合的直接膜喷涂集成化、利用

机器学习的人工智能工艺优化以及废料在线回收系统的开发，目标是将材料利用率进一步提升至99%以上。

5 结语

氧化铱超声喷涂技术以其独特的雾化机理和沉积特性，完美契合了PEM水电解技术对阳极催化剂涂层的

苛刻要求。它不仅在微观层面实现了催化剂颗粒的均匀分散和理想孔隙结构的构建，更在宏观层面通过极高的

材料利用率和精准的载量控制，为解决铱资源瓶颈、降低绿氢制备成本提供了切实可行的工艺路径。随着全球

绿氢产能的快速扩张，这项精密涂覆技术将持续推动质子交换膜水电解技术向着更高效、更经济、更可持续的

未来迈进，在能源转型的宏大叙事中扮演不可或缺的关键角色。