Anode Catalysts in Anion‐Exchange‐Membrane Electrolysis without Supporting Electrolyte: Conductivity, Dynamics, and Ionomer Degradation

材料科学 催化作用 电解质 电解 化学工程 阳极 离聚物 耐久性 铂金 电导率 无机化学 复合材料 化学 电极 有机化学 共聚物 物理化学 工程类 聚合物
作者
Raina A. Krivina,Grace Lindquist,Sarah R. Beaudoin,T. Nathan Stovall,Willow L. Thompson,Liam Twight,Douglas Marsh,Joseph Grzyb,Kevin Fabrizio,James E. Hutchison,Shannon W. Boettcher
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:34 (35): e2203033-e2203033 被引量:131
标识
DOI:10.1002/adma.202203033
摘要

Anion-exchange-membrane water electrolyzers (AEMWEs) in principle operate without soluble electrolyte using earth-abundant catalysts and cell materials and thus lower the cost of green H2 . Current systems lack competitive performance and the durability needed for commercialization. One critical issue is a poor understanding of catalyst-specific degradation processes in the electrolyzer. While non-platinum-group-metal (non-PGM) oxygen-evolution catalysts show excellent performance and durability in strongly alkaline electrolyte, this has not transferred directly to pure-water AEMWEs. Here, AEMWEs with five non-PGM anode catalysts are built and the catalysts' structural stability and interactions with the alkaline ionomer are characterized during electrolyzer operation and post-mortem. The results show catalyst electrical conductivity is one key to obtaining high-performing systems and that many non-PGM catalysts restructure during operation. Dynamic Fe sites correlate with enhanced degradation rates, as does the addition of soluble Fe impurities. In contrast, electronically conductive Co3 O4 nanoparticles (without Fe in the crystal structure) yield AEMWEs from simple, standard preparation methods, with performance and stability comparable to IrO2 . These results reveal the fundamental dynamic catalytic processes resulting in AEMWE device failure under relevant conditions, demonstrate a viable non-PGM catalyst for AEMWE operation, and illustrate underlying design rules for engineering anode catalyst/ionomer layers with higher performance and durability.
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