Design principles for water dissociation catalysts in high-performance bipolar membranes

离解(化学) 催化作用 材料科学 水的自电离 化学工程 化学 有机化学 生物化学 工程类 物理化学
作者
Lihaokun Chen,Qiucheng Xu,Sebastian Z. Oener,Kevin Fabrizio,Shannon W. Boettcher
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1) 被引量:176
标识
DOI:10.1038/s41467-022-31429-7
摘要

Abstract Water dissociation (WD, H 2 O → H + + OH − ) is the core process in bipolar membranes (BPMs) that limits energy efficiency. Both electric-field and catalytic effects have been invoked to describe WD, but the interplay of the two and the underlying design principles for WD catalysts remain unclear. Using precise layers of metal-oxide nanoparticles, membrane-electrolyzer platforms, materials characterization, and impedance analysis, we illustrate the role of electronic conductivity in modulating the performance of WD catalysts in the BPM junction through screening and focusing the interfacial electric field and thus electrochemical potential gradients. In contrast, the ionic conductivity of the same layer is not a significant factor in limiting performance. BPM water electrolyzers, optimized via these findings, use ~30-nm-diameter anatase TiO 2 as an earth-abundant WD catalyst, and generate O 2 and H 2 at 500 mA cm −2 with a record-low total cell voltage below 2 V. These advanced BPMs might accelerate deployment of new electrodialysis, carbon-capture, and carbon-utilization technology.
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