Strain‐Engineered Ir Shell Enhances Activity and Stability of Ir‐Ru Catalysts for Water Electrolysis: An Operando Wide‐Angle X‐Ray Scattering Study

催化作用 材料科学 电解水 溶解 化学工程 质子交换膜燃料电池 分解水 电解 析氧 电化学 物理化学 化学 光催化 电极 生物化学 工程类 电解质
作者
Tomáš Hrbek,Peter Kúš,Jakub Drnec,Marta Mirolo,Hridya Nedumkulam,Isaac Martens,Jaroslava Nováková,Tomáš Škála,Iva Matolı́nová
出处
期刊:Advanced Energy Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/aenm.202403738
摘要

Abstract Ir‐Ru alloys with high Ru content serve as stable and highly active catalysts for the Oxygen Evolution Reaction (OER) in Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers (PEM‐WEs), enabling efficient operation with low Ir loadings (150 µg cm − 2 ). Despite this, the mechanisms behind their enhanced stability remain unclear. In this study, operando Wide‐Angle X‐ray Scattering (WAXS) and ex situ techniques are utilized to investigate the structural evolution of these magnetron‐sputtered alloys during a PEM‐WE operation. The findings reveal that Ru leaches from the surface upon potential application, forming a dynamic Ir‐Ru@IrO x core‐shell structure. The Ir shell, strained by the Ir‐Ru core, maintains a lower oxidation state than pure Ir catalyst, leading to superior catalytic activity and stability. Remarkably, the Ir‐Ru 25:75 catalyst demonstrates better stability over Ir‐Ru 50:50, despite its higher Ru content, due to the better protection of the subsurface Ir and Ru from oxidation and dissolution. This study not only clarifies the performance‐enhancing mechanisms of Ir‐Ru catalysts but also suggests that other, more economical materials, such as Co or Ti, could serve as effective cores in Ir‐M systems, offering a pathway to more cost‐effective catalysts for PEM‐WE applications.
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