华中科技大学新发现：原子层沉积可实现先进的环保汽车材料

盖世汽车讯 据外媒报道，原子层沉积（ALD）是一种原子和近原子尺度的制造方法。自20世纪70年代发明以来，ALD已在显示器、半导体和太阳能电池等领域得到工业应用。华中科技大学陈蓉（Rong Chen）教授及其团队详细介绍了ALD在催化和能源材料领域的最新进展。

由智能制造技术与装备全国重点实验室研究人员领导的团队已将相关论文发表于期刊《极端制造（International Journal of Extreme Manufacturing）》，重点介绍原子层沉积技术在尾气催化转化器、锂离子电池和氢燃料电池应用方面的最新进展。

图片来源：期刊《极端制造》

通过逐层沉积单个原子或分子，ALD可以精确控制薄膜厚度和成分，从而提高催化和能源材料的性能和稳定性。该团队介绍了ALD在尾气催化剂、锂离子电池、氢燃料电池等方面的应用进展，以及大型ALD设备的最新进展。

首席研究员陈荣教授表示：“废气催化剂的低温活性是在冷启动阶段消除污染物的关键，而催化剂的高温稳定性决定了它们在工作条件下的寿命。ALD已被用于制备负载型贵金属催化剂，精确控制贵金属的尺寸以及贵金属与载体的相互作用。为了提高贵金属的高温稳定性，原子层沉积被用于构建贵金属的限制结构。” 通过原子层沉积技术的应用，可以精确控制催化和能源材料的界面性质，从而提高其性能和稳定性。

锂离子电池的循环稳定性和安全性问题与电池材料的失效密切相关。利用ALD在正极、负极和隔膜材料上制备纳米涂层，不仅可以提高材料的电化学稳定性，还可以保证电子和离子的传输。在磷酸铁锂、高镍三元、镍锰尖晶石等典型正极材料上进行超薄包覆，提高了材料的结构稳定性，抑制了充放电循环过程中材料与电解液的副反应。

第一作者刘潇（Xiao Liu）副教授表示：“氢燃料电池成本高、寿命短，是其大规模商业化应用的主要障碍。然而，ALD可以通过制备尺寸可控、高度分散的Pt催化剂来帮助克服这些问题，不仅提高了Pt原子的利用率，还降低了O2在膜电极催化剂层中的传质阻力。”

ALD用于改性Pt催化剂和导电载体，提高催化剂的本征活性和稳定性。在器件层面，ALD用于对催化剂层、气体扩散层和质子交换膜表面进行改性，提高器件的传质性能和耐久性。

开发高效、大型的原子层沉积设备对于工业应用至关重要，以满足催化和能源材料领域的吨级材料需求。然而，ALD过程中的颗粒聚集会导致涂层缓慢和不均匀的问题。最近的研究重点是在早期报道的流化床和旋转床粉末ALD设备的基础上开发大容量腔室、耦合颗粒涂层设备和空间分离连续涂层设备。

陈蓉教授表示：“尽管ALD用于改进催化和能源材料，但其在汽车行业的大规模应用仍然面临挑战，其中包括具有成本效益的前驱体的开发、器件级ALD改性材料性能的评估，以及催化和能源材料的大规模高效ALD涂层的挑战。应对这些挑战需要进行进一步研究，包括前体开发、性能评估和设备设计等各个领域。”