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3D‐Porous Electrocatalyst with Tip‐Enhanced Electric Field Effect Enables High‐Performance Proton Exchange Membrane Water Electrolyzer

材料科学 过电位 阴极 质子交换膜燃料电池 电解质 电催化剂 傅里叶变换红外光谱 电场 化学工程 传质 水平扫描速率 分析化学(期刊) 电化学 电极 物理化学 热力学 燃料电池 工程类 物理 化学 量子力学 色谱法 循环伏安法
作者
Teng Chen,Jun Ma,Chenjia Liang,Yi Luo,Xin Xu,Jianqiang Hu,Jie Chen,Weiping Ding
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:37 (9): e2418527-e2418527 被引量:22
标识
DOI:10.1002/adma.202418527
摘要

Abstract Hydrogen evolution reaction (HER), as one of the most advanced methods for the green production of hydrogen, is greatly impeded by inefficient mass transfer. Here we present an efficiently reactant enriched and mass traffic system by integrating high‐curvature Pt nanocones with 3D porous TiAl framework to enhance mass transfer rate. Theoretical simulations, in situ Raman spectroscopy and potential‐dependent Fourier transform infrared spectroscopy results disclose that the strong local electric field induced by high‐curvature Pt can greatly promote the H 3 O + supply rate during HER, resulting in ∼1.6 times higher H 3 O + concentration around the Pt nanocone than that in electrolyte. X‐ray computed tomography and molecular dynamic simulation demonstrate the diffusion coefficient of H 3 O + in 3D TiAl framework surpasses that in commercial carbon support by more than 16.7 times. Consequently, Pt/TiAl‐nanocone exhibits a high mass activity of 17.2 mA cm −2 Pt at an overpotential of 100 mV with an ultrahigh TOF value of 42.9 atom −1 s −1 . In a proton exchange membrane water electrolyzer, the Pt/TiAl‐nanocone cathode achieves an industrial‐scale current density of 1.0 A cm −2 with a cell voltage of 1.88 V at 60 °C and can operate stably for at least 800 h with a sluggish voltage decay rate of 137 µV h −1 .
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