Coaxial Nanofiber IrOx@SbSnOx as an Efficient Electrocatalyst for Proton Exchange Membrane Dehumidifier

电催化剂 材料科学 纳米纤维 质子 同轴 纳米技术 质子交换膜燃料电池 化学工程 电极 燃料电池 物理化学 电化学 电气工程 物理 工程类 生物 量子力学 化学 遗传学
作者
Zhen Liu,Ying Lu,Zhuoan Cui,Ronghui Qi
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (8): 10606-10620 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acsami.2c18375
摘要

Development of efficient catalysts for oxygen evolution reaction (OER) remains challenging in PEM dehumidifier or vapor electrolyzer. This study developed novel coaxial IrOx@SbSnOx nanofiber (NF) catalysts by electrospinning using a dual-channel needle. This method ensures the fibrous structure and the uniform loading of Ir oxide on the support of antimony tin oxide (ATO). IrO2@SbSnOx nanoparticles were synthesized for comparison. Characterizations showed that the active area and charge transfer resistance of NF was 1.47 times and 17.72% of that of commercial ones, respectively. The overpotential of NF at 10 mA·cm-2 was 359 mV, much smaller than that of commercial IrO2 (418 mV). In addition, the reaction overpotential of NF increased by only 38 mV after 1000 cyclic voltammetry cycles, indicating good electrochemical stability. To explore the enhancement mechanism, first-principles calculations were conducted for theoretically simulating the hetero-structures. Based on d-band theory, the structure formed between ATO and IrO2 can effectively weaken the adsorption of oxygen intermediates on the catalyst surface, which reduces the OER energy barrier from 1.705 to 1.632 eV, causing an over 15% decrease of overpotential after loading on ATO. As a practical attempt, we applied the new catalysts in real PEM assembly for air dehumidification and found that the performance was improved by about 2 times compared with that using commercial catalysts. This study provides a research direction for the design of one-dimensional NF catalysts and their using in PEM applications.
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