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Engineering CoO x -Based Self-Supported Anodes for Pure-Water-Fed Anion-Exchange-Membrane Electrolysis

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作者
Minkyoung Kwak,Shujin Hou,Kieran J. Spence,Tekalign Terfa Debela,Shannon W. Boettcher
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:16 (1): 311-322 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c05942
摘要

Commercial membrane electrolyzers rely on acidic fluorocarbon membranes and ionomers, requiring the use of expensive IrO x -based oxygen-evolution catalysts. Anion-exchange-membrane water electrolyzers (AEMWEs) operate in an alkaline environment, enabling the use of non-precious-metal catalysts. Here, we study and engineer CoO x -based catalyst-coated anodes deposited via hydrothermal synthesis directly onto porous transport layers both with and without thermal annealing. The self-supported, nanoneedle-structured Co 3 O 4 anode, formed by annealing the as-synthesized cobalt carbonate hydroxide, Co(CO 3 ) x (OH) y, outperforms the baseline Co 3 O 4 nanoparticle ink-based anode in pure-water-fed AEMWE due to the improved catalyst-layer continuity and thus number of electroactive Co species. The as-synthesized and unannealed Co(CO 3 ) x (OH) y, however, appears to undergo substantial conversion to a more-active CoO x (OH) y phase predominantly at the surface, with nominal Co 3+ present and higher electrical conductivity, lowering the cell voltage to ∼200 mV at 1.0 A·cm –2 in pure-water-fed AEMWE compared to the conventional Co 3 O 4 nanoparticle anodes. We analyze the differences in electrode electrochemical response between pure-water and KOH feed modes, finding distinct activation and degradation modes. The Co(CO 3 ) x (OH) y anode shows significant activation and slower degradation linked to the conversion to oxyhydroxide. We propose catalyst layer designs that promote both hydroxide and electron transport, alongside interfacial engineering strategies to obtain high performance while mitigating anode degradation.
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