Lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) là một phương pháp sản xuất ở quy mô nguyên tử và gần nguyên tử. Kể từ khi được phát minh vào những năm 1970, ALD đã được ứng dụng công nghiệp trong các lĩnh vực như màn hình, chất bán dẫn và pin mặt trời. Giáo sư Rong Chen từ Đại học Khoa học và Công nghệ Huazhong và nhóm của cô đã giới thiệu chi tiết về tiến bộ mới nhất của ALD trong lĩnh vực xúc tác và vật liệu năng lượng.
Xuất bản trên tạp chí International Journal of Extreme Manufacturing , nhóm do các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Trọng điểm Nhà nước về Thiết bị và Công nghệ Sản xuất Thông minh dẫn đầu đã nêu bật tiến bộ mới nhất của công nghệ ALD trong ứng dụng bộ chuyển đổi xúc tác khí thải , pin lithium-ion và nhiên liệu hydro tế bào.
Bằng cách lắng đọng từng lớp nguyên tử hoặc phân tử đơn lẻ, ALD cho phép kiểm soát chính xác độ dày và thành phần của màng, điều này có thể cải thiện hiệu suất và độ ổn định của vật liệu xúc tác và năng lượng . Nhóm đã giới thiệu tiến độ ứng dụng của ALD trong chất xúc tác khí thải, pin lithium-ion và pin nhiên liệu hydro, cũng như những tiến bộ mới nhất trong thiết bị ALD quy mô lớn.
Trưởng nhóm nghiên cứu, Giáo sư Rong Chen, cho biết: "Hoạt động ở nhiệt độ thấp của chất xúc tác khí thải là chìa khóa để loại bỏ các chất ô nhiễm trong giai đoạn khởi động nguội, trong khi độ ổn định ở nhiệt độ cao của chất xúc tác quyết định tuổi thọ của chúng trong điều kiện làm việc. ALD đã được sử dụng để chuẩn bị các chất xúc tác kim loại quý được nạp, kiểm soát chính xác kích thước của kim loại quý và sự tương tác giữa kim loại quý và chất mang. ." Thông qua việc áp dụng công nghệ ALD, có thể kiểm soát chính xác các đặc tính giao thoa của vật liệu xúc tác và năng lượng, nhờ đó cải thiện hiệu suất và độ ổn định của chúng.
Các vấn đề về độ ổn định và an toàn khi đạp xe của pin lithium-ion có liên quan chặt chẽ đến sự hỏng hóc của vật liệu pin. Việc sử dụng ALD để chuẩn bị lớp phủ nano trên vật liệu cực âm, cực dương và dải phân cách không chỉ có thể cải thiện tính ổn định điện hóa của vật liệu mà còn đảm bảo sự truyền điện tử và ion. Các lớp phủ siêu mỏng trên các vật liệu điện cực dương điển hình như lithium iron phosphate , ternary niken cao và spinel niken-mangan cải thiện tính ổn định cấu trúc của vật liệu và triệt tiêu các phản ứng phụ của vật liệu và chất điện phân trong các chu kỳ sạc và xả.
Tác giả thứ nhất PGS. Giáo sư Xiao Liu cho biết: "Pin nhiên liệu hydro có chi phí cao và tuổi thọ ngắn, đây là những trở ngại lớn đối với việc sử dụng thương mại quy mô lớn. Tuy nhiên, ALD có thể giúp khắc phục những vấn đề này bằng cách chuẩn bị các chất xúc tác Pt có kích thước được kiểm soát và phân tán cao. Điều này không chỉ làm tăng hiệu suất sử dụng nguyên tử Pt mà còn làm giảm lực cản vận chuyển khối của O 2 trong lớp xúc tác điện cực màng ”.
ALD được sử dụng để thay đổi chất xúc tác Pt và chất mang dẫn điện, tăng cường hoạt tính nội tại và tính ổn định của chất xúc tác. Ở cấp độ thiết bị, ALD được sử dụng để sửa đổi bề mặt của lớp chất xúc tác, lớp khuếch tán khí và màng trao đổi proton, cải thiện hiệu suất truyền khối và độ bền của thiết bị.
Phát triển thiết bị ALD hiệu quả và quy mô lớn là rất quan trọng đối với các ứng dụng công nghiệp để đáp ứng nhu cầu vật liệu cấp tấn trong các lĩnh vực vật liệu xúc tác và năng lượng. Tuy nhiên, sự kết tụ hạt trong quá trình ALD có thể gây ra vấn đề với lớp phủ chậm và không đồng đều. Nghiên cứu gần đây tập trung vào việc phát triển các buồng thể tích lớn, thiết bị phủ hạt kết hợp và thiết bị phủ liên tục được phân tách theo không gian dựa trên các thiết bị ALD dạng bột giường tầng sôi và tầng sôi được báo cáo sớm.
Giáo sư Rong Chen cho biết: "Mặc dù ALD đã được sử dụng để cải thiện vật liệu xúc tác và năng lượng, nhưng vẫn còn những thách thức đối với ứng dụng quy mô lớn của nó trong ngành công nghiệp ô tô. Chúng bao gồm việc phát triển các tiền chất tiết kiệm chi phí, đánh giá hiệu suất vật liệu được điều chỉnh ALD ở cấp độ thiết bị và thách thức của lớp phủ ALD quy mô lớn và hiệu quả đối với vật liệu xúc tác và năng lượng.
