Nb:Ti:N涂层提升316L不锈钢在质子交换膜水电解波动电位环境中的耐蚀与导电性能研究

本文推荐：研究团队通过多弧离子镀技术在316L不锈钢(316L SS)表面制备Nb:Ti:N涂层，显著提升了其在质子交换膜水电解(PEMWE)强酸性(pH=3-5)和波动电位(1.2-1.8 VAg/AgCl)环境中的性能。该涂层初始界面接触电阻(ICR)仅4.86 mΩ·cm2，经4小时极化后仍满足美国能源部标准(<10 mΩ·cm2)。特别在三角波电位模拟再生能源波动时展现出快速响应特性，为设计耐波动电位的双极板(BPPs)提供了新思路。

Highlight

涂层制备与表征

采用多弧离子镀(MIP)技术在316L不锈钢(15×15 mm)表面沉积Nb:Ti:N涂层。样品经梯度砂纸打磨后，通过交替调节Ti(99.99%)和Nb(99.99%)靶材功率实现多层结构。沉积过程中保持本底真空5.0×10^-3 Pa，工作气压0.8 Pa，偏压-100 V，氮气流量200 sccm，沉积温度300°C，最终获得约1.52 μm厚的致密涂层。

成分与表面特性

XPS分析显示涂层含NbN、Nb₂N、TiN和Ti相。Nb 3d谱显示Nb-N键(203.7 eV)和Nb-O键(206.8 eV)，Ti 2p谱证实Ti-N(454.9 eV)和Ti-O(458.5 eV)的存在。SEM显示涂层表面均匀分布微米级熔滴，截面呈现明显的柱状晶结构。XRD证实涂层主要含立方TiN(JCPDS 38-1420)和六方NbN(JCPDS 20-0803)相。

电化学性能

动电位极化测试显示Nb:Ti:N涂层将316L SS的稳定电位提升至1.8 V_Ag/AgCl。在0.5 M H₂SO₄+2 ppm HF溶液中，涂层试样的腐蚀电流密度较基体降低两个数量级。电化学阻抗谱(EIS)显示涂层电荷转移电阻达1.89×10⁵ Ω·cm²，比裸钢高三个数量级。

波动电位响应

采用方波/三角波(1.2-1.8 V_Ag/AgCl)模拟光伏/风电波动输入。三角波条件下涂层ICR变化幅度(ΔICR=1.2 mΩ·cm²)比方波条件(ΔICR=2.7 mΩ·cm²)更稳定。原位SEM观察发现涂层在2000次循环后仍保持结构完整性，未出现明显剥落或裂纹。

Conclusion

Nb:Ti:N涂层通过形成导电性优异的(Nb,Ti)混合氧化物层，有效抑制了被动膜导致的ICR上升。其独特的"硬质TiN骨架+导电NbN网络"结构，在波动电位下展现出"自修复"特性，为开发适应可再生能源波动的新型双极板材料提供了重要参考。