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Stabilizing the Unstable: Chromium Coating on NiMo Electrode for Enhanced Stability in Intermittent Water Electrolysis

电解 材料科学 电极 涂层 化学工程 电解水 碱性水电解 析氧 分解水 纳米技术 电化学 化学 催化作用 电解质 有机化学 工程类 物理化学 光催化
作者
Lingyi Peng,Jie Min,Avi Bendavid,Dewei Chu,Xunyu Lu,Rose Amal,Zhaojun Han
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (36): 40822-40833 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsami.2c09004
摘要

Hydrogen production through water electrolysis is a promising method to utilize renewable energy in the context of urgent need to phase out fossil fuels. Nickel-molybdenum (NiMo) electrodes are among the best performing non-noble metal-based electrodes for hydrogen evolution reaction in alkaline media (alkaline HER). Albeit exhibiting stable performance in electrolysis at a constant power supply (i.e., constant electrolysis), NiMo electrodes suffer from performance degradation in electrolysis at an intermittent power supply (i.e., intermittent electrolysis), which is emblematic of electrolysis powered directly by renewable energy (such as wind and solar power sources). Here we reveal that NiMo electrodes were oxidized by dissolved oxygen during power interruption, leading to vanishing of metallic Ni active sites and loss of conductivity in MoOx substrate. Based on the understanding of the degradation mechanism, chromium (Cr) coating was successfully applied as a protective layer to inhibit oxygen reduction reaction (ORR) and significantly enhance the stability of NiMo electrodes in intermittent electrolysis. Further, combining experimental and Molecular Dynamics (MD) simulations, we demonstrate that the Cr coating served as a physical barrier inhibiting diffusion of oxygen, while still allowing other species to pass through. Our work offers insights into electrode behavior in intermittent electrolysis, as well as provides Cr coating as a valid method and corresponding deep understanding of the factors for stability enhancement, paving the way for the successful application of lab-scale electrodes in industrial electrolysis powered directly by renewable energy.
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