Controlled Structural Activation of Iridium Single Atom Catalyst for High-Performance Proton Exchange Membrane Water Electrolysis

化学 催化作用 电解 质子 电解水 Atom(片上系统) 无机化学 物理化学 电极 有机化学 核物理学 生物化学 物理 计算机科学 电解质 嵌入式系统
作者
Wonjae Ko,Jae-Hyuk Shim,Hyunsoo Ahn,Hyeonseok Kwon,Kangjae Lee,Yoon Seok Jung,Wytse Hooch Antink,Chan Woo Lee,Sungeun Heo,Seongbeom Lee,Junghwan Jang,Jiheon Kim,Hyeon Seok Lee,Sung-Pyo Cho,Byoung‐Hoon Lee,Minho Kim,Yung‐Eun Sung,Taeghwan Hyeon
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.4c11442
摘要

Iridium single atom catalysts are promising oxygen evolution reaction (OER) electrocatalysts for proton exchange membrane water electrolysis (PEMWE), as they can reduce the reliance on costly Ir in the OER catalysts. However, their practical application is hindered by their limited stability during PEMWE operation. Herein, we report on the activation of Ir-doped CoMn2O4 in acidic electrolyte that leads to enhanced activity and stability in acidic OER for long-term PEMWE operation. In-depth material characterization combined with electrochemical analysis and theoretical calculations reveal that activating Ir-doped CoMn2O4 induces controlled restructuring of Ir single atoms to IrOx nanoclusters, resulting in an optimized Ir configuration with outstanding mass activity of 3562 A gIr–1 at 1.53 V (vs RHE) and enhanced OER stability. The PEMWE using activated Ir-doped CoMn2O4 exhibited a stable operation for >1000 h at 250 mA cm–2 with a low degradation rate of 0.013 mV h–1, demonstrating its practical applicability. Furthermore, it remained stable for more than 400 h at a high current density of 1000 mA cm–2, demonstrating long-term durability under practical operation conditions.
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