通过原位阳极氧化和等离子氮化TiBPs（钛基粉末），显著提升了TiON（TiO?/TiN）涂层的耐腐蚀性、导电性以及与基材的界面附着力，适用于PEMWE（质子交换膜水电解）电池的应用

《Applied Surface Science Advances》：Synergistically enhanced corrosion resistance, electrical conductivity and interface adhesion of TiON x/TiN coatings through in-situ anodizing and plasma nitriding of Ti BPs for PEMWE cells

本研究通过阳极氧化和等离子体氮化制备了TiONx/TiN复合涂层，解决了Ti基双极板界面粘附问题（晶格错配仅1.37%）。涂层在腐蚀电阻（0.17 μA·cm2）和电导率（6.75 mΩ·cm2）方面性能优异，经300小时恒电位测试后仍保持稳定，电池组装测试显示其电解效率达77.89%，显著优于未涂层双极板（64.35%）。同时，通过XRD、XPS和SEM等表征手段验证了涂层的结构和性能优势。

　　氢能源作为可再生能源的一种，近年来受到广泛关注，成为全球能源转型的重要方向之一。其核心应用之一是质子交换膜水电解（PEMWE）技术，该技术能够高效地将水分子分解为氢气和氧气，为绿色氢能的生产提供了重要支撑。然而，PEMWE系统中的关键组件，如双极板（Bipolar Plates, BPs），往往面临成本高、耐腐蚀性差以及电导率不足等挑战，严重制约了该技术的商业化发展。因此，开发具有优异耐腐蚀性能、高电导率以及良好界面结合力的非贵金属涂层，成为提升PEMWE系统性能和经济性的关键任务。

在这一背景下，研究团队通过一系列创新的制备工艺，成功开发出一种新型的TiON_x/TiN复合涂层，该涂层应用于钛双极板表面，以解决上述问题。这种复合涂层的制备过程分为三个主要步骤：首先通过电化学氧化在钛基板表面形成TiO₂薄膜，接着通过等离子体氮化技术将TiO₂转化为具有高导电性的钛氧化氮（TiON_x），最后利用磁控溅射技术在TiON_x表面沉积TiN层。通过这一复合工艺，不仅有效提升了涂层的综合性能，还显著改善了其与钛基板之间的界面结合力。

在涂层的性能分析中，研究团队重点考察了其耐腐蚀性、电导率以及界面结合强度。结果显示，TiON_x/TiN复合涂层表现出比原始钛基板更低的腐蚀电流密度，仅为0.17 μA·cm^-2，仅为钛基板（12.18 μA·cm^-2）的约1/70，显示出极强的抗腐蚀能力。同时，该复合涂层在1.5 MPa下的电导率高达6.75 mΩ·cm²，显著优于TiN（1.29 μA·cm^-2）和TiO₂（0.14 μA·cm^-2）等单一材料涂层。这种高电导率的特性使得复合涂层能够有效降低双极板的界面接触电阻（ICR），从而提升整个电解装置的运行效率。

此外，通过国际标准ISO 2409:2007中的交叉切割测试，研究团队验证了TiON_x/TiN复合涂层的界面结合强度达到了最高级别的“level 0”，表明其与钛基板之间形成了非常牢固的结合。这种高结合力的实现，主要得益于TiON_x与TiN之间的微小晶格失配率（仅1.37%），相较于TiO₂与TiN之间的较大晶格失配率（8.88%），大大减少了界面处的晶格畸变和位错，从而增强了涂层的稳定性。

为了进一步评估复合涂层在实际应用中的表现，研究团队在模拟的电解环境中进行了长期的恒电位测试。测试结果显示，即使在2 V电压下持续300小时后，TiON_x/TiN复合涂层的腐蚀电流密度仍保持在4.6 μA·cm^-2，远低于TiO₂/TiN涂层（7 μA·cm^-2）和原始钛基板（12.18 μA·cm^-2）。同时，其界面接触电阻也维持在23.64 mΩ·cm²，表现出良好的电导性能。相比之下，TiO₂/TiN涂层在测试过程中出现了明显的性能下降，其腐蚀电流密度在176小时后突然上升至13 μA·cm^-2，并在272小时后进一步增加至25 μA·cm^-2，这表明其在长期运行中存在界面剥离和氧化失效的问题。

在实际电解装置的组装测试中，TiON_x/TiN复合涂层表现出显著优于未涂层钛双极板的性能。测试数据显示，涂层后的双极板在1.0 A·cm^-2电流密度下的电解效率达到77.89%，而未涂层的双极板仅为64.35%。同时，其界面接触电阻显著降低，仅为38.56 mΩ·cm²，远低于未涂层钛双极板的258.6 mΩ·cm²。这些结果表明，TiON_x/TiN复合涂层在提升PEMWE系统性能方面具有巨大潜力。

研究团队还深入探讨了复合涂层的形成机制。通过X射线光电子能谱（XPS）和扫描电子显微镜（SEM）等手段，他们发现TiON_x涂层中存在氧空位（V_O）和Ti³⁺缺陷，这些缺陷能够作为电子供体，提升涂层的电导率。同时，TiN层能够有效防止钛基板的过度氧化，稳定这些缺陷状态，从而进一步增强涂层的抗氧化性能和长期稳定性。此外，等离子体氮化过程使得TiO₂转化为TiON_x，在降低晶格失配的同时，也提高了涂层的致密性和均匀性，为后续的TiN沉积提供了良好的基础。

从材料科学的角度来看，TiON_x/TiN复合涂层的制备过程体现了多步骤协同优化的思路。电化学氧化和等离子体氮化不仅能够形成稳定的过渡层，还能在钛基板表面引入新的化学组分，从而增强其在恶劣环境下的适应能力。而磁控溅射则确保了TiN层的均匀沉积，使其在保持高电导率的同时，与TiON_x层之间形成稳定的界面结构。这种多步骤的协同效应，使得复合涂层在多个方面表现出优于单一涂层的综合性能。

从应用角度来看，TiON_x/TiN复合涂层的开发为PEMWE系统提供了成本更低、性能更优的替代方案。传统的贵金属涂层虽然能够满足高电导率和强耐腐蚀性的要求，但其高昂的成本限制了其在大规模应用中的可行性。而TiON_x/TiN复合涂层则通过非贵金属材料的组合，实现了在成本和性能之间的平衡。这种涂层不仅能够有效保护钛双极板免受腐蚀，还能显著降低其界面接触电阻，从而提升整个电解装置的效率。

在实际测试中，研究团队还发现，该复合涂层的耐腐蚀性和电导率在长期运行中保持稳定。这表明，其不仅具备良好的短期性能，还具有出色的长期可靠性，能够满足PEMWE系统在复杂工况下的运行需求。同时，通过AFM（原子力显微镜）和SEM（扫描电子显微镜）等表征手段，研究团队对涂层的表面形貌和结构变化进行了详细分析，进一步验证了其在实际应用中的优势。

在材料选择和制备工艺方面，研究团队采用了多种先进的技术手段，如电化学氧化、等离子体氮化和磁控溅射，以确保涂层的高质量和稳定性。这些技术不仅能够实现对钛基板的精确处理，还能在不同阶段调控涂层的化学组成和物理结构，从而满足特定性能需求。例如，等离子体氮化能够有效减少TiO₂与TiN之间的晶格失配，提升界面结合力；而磁控溅射则能够确保TiN层的均匀沉积，避免局部缺陷对性能的影响。

此外，研究团队还探讨了不同涂层材料在实际应用中的局限性。例如，TiO₂虽然具有优异的耐腐蚀性，但其电导率较低，导致在实际运行中产生较高的界面接触电阻，从而影响电解效率。TiN虽然具有较高的电导率，但其与钛基板之间的较大晶格失配率导致界面结合力较差，容易在长期运行中出现剥离现象。而TiON_x/TiN复合涂层则通过引入氧氮共掺杂结构，既保留了TiO₂的耐腐蚀特性，又提升了TiN的电导率，同时通过降低晶格失配率，显著改善了界面结合力。

从实际应用的角度来看，TiON_x/TiN复合涂层的开发不仅为PEMWE系统提供了新的材料选择，还为未来氢能源技术的发展提供了重要的技术支撑。随着全球对清洁能源需求的不断增长，PEMWE技术作为氢气生产的重要手段，其性能的提升将直接推动氢能源的广泛应用。而TiON_x/TiN复合涂层的出现，为这一技术的商业化进程提供了关键突破。

在实际工程应用中，双极板作为PEMWE系统的核心部件，其性能直接影响整个系统的效率和寿命。传统的钛双极板虽然具有良好的耐腐蚀性，但其表面形成的氧化层会导致较高的界面接触电阻，从而降低电解效率。而TiON_x/TiN复合涂层通过优化界面结构和材料组成，有效降低了界面接触电阻，提升了电解效率。这一成果不仅有助于降低PEMWE系统的运行成本，还能提高其整体的经济性和可持续性。

从材料性能的角度来看，TiON_x/TiN复合涂层在多个方面表现出优异的特性。首先，其具备良好的耐腐蚀性，能够在模拟的电解环境中保持稳定的性能，即使在长期运行后，其腐蚀电流密度仍远低于原始钛基板。其次，其电导率较高，能够在实际运行中提供较低的界面接触电阻，从而减少能量损耗。最后，其界面结合力强，能够有效防止涂层在长期使用中的脱落和失效，确保其在复杂工况下的稳定性。

综上所述，TiON_x/TiN复合涂层的开发为PEMWE系统的性能提升提供了新的思路和解决方案。通过多步骤的协同制备工艺，研究团队成功克服了传统涂层材料在性能和成本之间的矛盾，实现了非贵金属材料在高性能涂层中的应用。这一成果不仅为氢能源技术的发展提供了重要支持，也为其他领域的高性能材料研发提供了借鉴。未来，随着该技术的进一步推广和优化，有望在更多应用场景中发挥其优势，推动氢能源技术的广泛应用和可持续发展。