Highly Porous Iridium Thin Electrodes with Low Loading and Improved Reaction Kinetics for Hydrogen Generation in PEM Electrolyzer Cells

材料科学 质子交换膜燃料电池 化学工程 电极 Nafion公司 阳极 膜电极组件 电化学 催化作用 薄膜 纳米技术 化学 物理化学 工程类 燃料电池 生物化学
作者
Lei Ding,Weitian Wang,Zhiqiang Xie,Kui Li,Shule Yu,Christopher Capuano,Alex Keane,Katherine E. Ayers,Feng‐Yuan Zhang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (20): 24284-24295 被引量:24
标识
DOI:10.1021/acsami.2c23304
摘要

Highly efficient electrodes with simplified fabrication and low cost are highly desired for the commercialization of proton exchange membrane electrolyzer cells (PEMECs). Herein, highly porous Ir-coated thin/tunable liquid/gas diffusion layers with honeycomb-structured catalyst layers were fabricated as anode electrodes for PEMECs via integrating a facile and fast electroplating process with efficient template removal. Combined with a Nafion 117 membrane, a low cell voltage of 1.842 V at 2000 mA/cm2 and a high mass activity of 4.16 A/mgIr at 1.7 V were achieved with a low Ir loading of 0.27 mg/cm2, outperforming most of the recently reported anode catalysts. Moreover, the thin electrode shows outstanding stability at a high current density of 1800 mA/cm2 in the practical PEMEC. Moreover, with in-situ high-speed visualizations in PEMECs, the catalyst layer structure's impact on real-time electrochemical reactions and mass transport phenomena was investigated for the first time. Increased active sites and improved multiphase transport properties with favorable bubble detachment and water diffusion for the honeycomb-structured electrode are revealed. Overall, the significantly simplified ionomer-free honeycomb thin electrode with low catalyst loading and remarkable performance could efficiently accelerate the industrial application of PEMECs.
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