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Deconvoluting Degradation Mechanisms in Anion Exchange Membrane Water Electrolysis using Operando X-ray Microtomography

离聚物 化学工程 材料科学 质子交换膜燃料电池 催化作用 电解 电导率 降级(电信) 化学 离子电导率 电化学 电极 膜电极组件 电解水 无机化学 同步加速器 离子键合
作者
Iain Malone,Seçil Ünsal,R. S. Young,Matthew P. Jones,Francesco Spanu,Shashidhara Marathe,Rhodri Jervis,Hugh Hamilton,Christopher M. Zalitis,Thomas S. Miller,Alexander J. E. Rettie
标识
DOI:10.26434/chemrxiv-2025-m29wv
摘要

Anion exchange membrane water electrolysers are held back by the low durability of the ionomer in the membrane and catalyst layers. Studying ionomer degradation in these systems is challenging because the main mechanisms, which result in catalyst detachment, membrane thinning and loss of cationic functionality, have opposing effects on the cell potential; electrochemical measurements alone are therefore insufficient for elucidating the underlying causes. To address this, a bespoke miniature-electrolyser-cell was developed for X-ray microtomography imaging of membrane electrode assemblies at 1.6 μm resolution. This set-up enabled the study of the entire active volume of the electrolyser under static and operando conditions and was validated against standard 5 cm² laboratory cells. An operando investigation of degradation in Fumasep® based catalyst coated membranes revealed both significant membrane thinning and loss of membrane ionic conductivity during stability testing, leading to increased ohmic resistance and cell potential. In contrast, a Selemion™ membrane showed minimal changes in thickness and conductivity and was significantly more stable compared to Fumasep® when exposed to synchrotron radiation. This platform has relevance for operando studies of electrochemical materials and devices generally, including proton exchange membrane electrolysers, fuel cells and CO2 electrolysers using both lab-based and synchrotron X-ray sources.
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