Durable Anion Exchange Membrane Water Electrolysis in Low-Alkaline Concentration Electrolyte

化学 电解质 电解 碱性水电解 无机化学 离子交换 离子 电极 有机化学 生物化学 物理化学
作者
Haifeng Shen,Fei‐Yue Gao,Haobo Li,Jun Xu,Mietek Jaroniec,Yao Zheng,Shi‐Zhang Qiao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (26): 22677-22685 被引量:36
标识
DOI:10.1021/jacs.5c04194
摘要

Anion-exchange-membrane water electrolysis (AEMWE) is a promising technology for scalable green hydrogen production. However, the conventional use of high-alkalinity conditions accelerates membrane degradation, emphasizing the need for low-alkalinity operation to ensure long-term stability. For a low-alkalinity electrolyte with a high water-dissociation energy barrier, Ru serves as an ideal cathodic catalyst owing to its strong Ru–H bond, which provides distinguished water dissociation ability. However, the trade-off is high *H coverage, causing sluggish kinetics and limited durability during high-current operation. Herein, we developed an Ir–Ru solid solution catalyst, which enables rapid hydrogen transfer kinetics through a hydrogen spillover mechanism at high current. As a result, AEMWE with the Ir–Ru solid solution achieved a cell voltage of 1.75 V at 1 A cm–2 in 0.05 M KOH. Notably, the low-alkalinity AEMWE cell exhibited exceptional durability for over 1000 h, surpassing most of the previously reported data under similar operating conditions. Isotope labeling and in situ characterizations confirmed that dissociated *H spills from efficient water-dissociation sites on Ru to favorable hydrogen-desorption sites on Ir with lower *H coverage, significantly improving activity and stability at high current densities.
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