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Constructing Robust 3D Ionomer Networks in the Catalyst Layer to Achieve Stable Water Electrolysis for Green Hydrogen Production

材料科学 离聚物 阳极 降级(电信) 催化作用 传质 相(物质) 化学工程 电解 电解水 制氢 复合材料 肿胀 的 图层(电子) 电解质 聚合物 色谱法 电气工程 化学 物理化学 有机化学 共聚物 工程类 生物化学 电极
作者
Han Liu,Yang Yang,Jiawei Liu,Meiquan Huang,Kejie Lao,Yaping Pan,Xinhui Wang,Tian Hu,Linrui Wen,Shuwen Xu,Shuirong Li,Xiaoliang Fang,Wen‐Feng Lin,Nanfeng Zheng,Hua Bing Tao
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (13): 16408-16417 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acsami.4c03318
摘要

The widespread application of proton exchange membrane water electrolyzers (PEMWEs) is hampered by insufficient lifetime caused by degradation of the anode catalyst layer (ACL). Here, an important degradation mechanism has been identified, attributed to poor mechanical stability causing the mass transfer channels to be blocked by ionomers under operating conditions. By using liquid-phase atomic force microscopy, we directly observed that the ionomers were randomly distributed (RD) in the ACL, which occupied the mass transfer channels due to swelling, creeping, and migration properties. Interestingly, we found that alternating treatments of the ACL in different water/temperature environments resulted in forming three-dimensional ionomer networks (3D INs) in the ACL, which increased the mechanical strength of microstructures by 3 times. Benefitting from the efficient and stable mass transfer channels, the lifetime was improved by 19 times. A low degradation rate of approximately 3.0 μV/h at 80 °C and a high current density of 2.0 A/cm2 was achieved on a 50 cm2 electrolyzer. These data demonstrated a forecasted lifetime of 80 000 h, approaching the 2026 DOE lifetime target. This work emphasizes the importance of the mechanical stability of the ACL and offers a general strategy for designing and developing a durable PEMWE.
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