Poly(ionic liquid) Ionomers Help Prevent Active Site Aggregation, in Single-Site Oxygen Reduction Catalysts

催化作用 离子液体 氧还原反应 氧还原 氧气 化学 活动站点 离子键合 离聚物 还原(数学) 材料科学 无机化学 有机化学 离子 聚合物 共聚物 电化学 物理化学 几何学 数学 电极
作者
Silvia Favero,Alain Y. Li,Mengnan Wang,Fayyad Uddin,Bora Kuzuoglu,Arthur Georgeson,Ifan E. L. Stephens,Maria‐Magdalena Titirici
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (10): 7937-7948 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c01418
摘要

Anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) can produce clean electricity without the need for platinum-group metals at the cathode. To improve their durability and performance, most research investigations so far have focused on optimizing the catalyst and anion exchange membrane, while few studies have been dedicated to the effect of the ionomer. Herein, we address this gap by developing a poly(ionic liquid)-based ionomer and studying its effect on oxygen transport and oxygen reduction kinetics, in comparison to the commercial proton exchange and anion exchange ionomers Nafion and Fumion. Our study shows that the choice of ionomer has a dramatic effect on the morphology of the catalyst layer, in particular on iron aggregation. We also observed that the quality of the catalyst layer and the degree of iron aggregation can be correlated to the rheological properties of the catalyst ink. Moreover, this work highlights the impact of the ionomer on the resistance to oxygen transport and reports improved oxygen diffusion compared to Nafion, for poly(ionic liquid)s with fluorinated anions. Finally, the performance of the catalyst–ionomer layer for oxygen reduction was tested with a rotating disc electrode (RDE) and a gas diffusion electrode (GDE). We observed dramatic differences between the two configurations, which we attribute to the different morphologies of the catalyst layer. In summary, our study highlights the dramatic and overlooked effect of the ionomer and the limitations of the RDE in predicting fuel cell performance.
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