Electrochemically Grown Ultrathin Platinum Nanosheet Electrodes with Ultralow Loadings for Energy-Saving and Industrial-Level Hydrogen Evolution

纳米片 材料科学 催化作用 电极 电化学 铂金 化学工程 纳米技术 氢燃料 化学 生物化学 工程类 物理化学 有机化学
作者
Lei Ding,Zhiqiang Xie,Shule Yu,Weitian Wang,Alexander Terekhov,Brian K. Canfield,Christopher Capuano,Alex Keane,Katherine E. Ayers,David A. Cullen,Feng‐Yuan Zhang
出处
期刊:Nano-micro Letters [Springer Science+Business Media]
卷期号:15 (1) 被引量:26
标识
DOI:10.1007/s40820-023-01117-2
摘要

Nanostructured catalyst-integrated electrodes with remarkably reduced catalyst loadings, high catalyst utilization and facile fabrication are urgently needed to enable cost-effective, green hydrogen production via proton exchange membrane electrolyzer cells (PEMECs). Herein, benefitting from a thin seeding layer, bottom-up grown ultrathin Pt nanosheets (Pt-NSs) were first deposited on thin Ti substrates for PEMECs via a fast, template- and surfactant-free electrochemical growth process at room temperature, showing highly uniform Pt surface coverage with ultralow loadings and vertically well-aligned nanosheet morphologies. Combined with an anode-only Nafion 117 catalyst-coated membrane (CCM), the Pt-NS electrode with an ultralow loading of 0.015 mgPt cm-2 demonstrates superior cell performance to the commercial CCM (3.0 mgPt cm-2), achieving 99.5% catalyst savings and more than 237-fold higher catalyst utilization. The remarkable performance with high catalyst utilization is mainly due to the vertically well-aligned ultrathin nanosheets with good surface coverage exposing abundant active sites for the electrochemical reaction. Overall, this study not only paves a new way for optimizing the catalyst uniformity and surface coverage with ultralow loadings but also provides new insights into nanostructured electrode design and facile fabrication for highly efficient and low-cost PEMECs and other energy storage/conversion devices.
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