Mechanistic Insights into Cathode Degradation During Startup‐Shutdown of PEM Water Electrolysis and Mitigation via Semi‐Embedded Pt/CeO x

阴极 过电位 降级(电信) 质子交换膜燃料电池 材料科学 催化作用 电解 电解水 化学工程 耐久性 聚合物电解质膜电解 腐蚀 碳纤维 双功能 纳米技术 制氢 粒子(生态学)
作者
Rui Li,Chen Ju,Jiwei Shan,Runcheng Zhang,Ping Liu,Aidong Tan,Jianguo Liu
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e14965-e14965
标识
DOI:10.1002/smll.202514965
摘要

Proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE) is a promising technology for green H2 production, yet cathode catalyst degradation during startup-shutdown cycles remains an important but overlooked challenge. Herein, we evaluate the durability of electrolyzers employing commercial Pt/C cathode catalysts under mimicking realistic startup-shutdown conditions, revealing severe performance degradation. By monitoring cathode potential evolution, we reveal that H2 depletion during shutdown elevates the cathode potential to ∼1.0 V versus RHE. Post-mortem characterization identifies Pt agglomeration and carbon support corrosion as primary degradation mechanisms. To address these issues, we develop a Pt/CeOx catalyst with a semi-embedded Pt structure. This unique architecture induces strong metal-support interaction between Pt and CeOx, which enhances oxidation resistance and suppresses particle coalescence. Pt/CeOx catalyst exhibits a H2 evolution reaction overpotential of 27 mV at 100 mA cm-2 and exceptional durability in a three-electrode configuration. In electrolyzer testing, at an ultralow loading of 0.05 mgPt cm-2 (PGM loading of 0.25 mg cm-2, half of the DOE 2026 target), the catalyst demonstrates a minimal degradation rate of 8.3 µV h-1 over 600 h under aggressive startup-shutdown cycling, outperforming Pt/C (117 µV h-1) by more than one order of magnitude. This work elucidates a previously overlooked cathode degradation pathway, validates the underlying mechanisms, and provides a practical catalyst design strategy for durable PEMWE.
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