Evaluating the effect of ionomer chemical composition in silver-ionomer catalyst inks toward the oxygen evolution reaction by half-cell measurements and water electrolysis

离聚物 催化作用 电解 化学 电化学 无机化学 析氧 化学工程 离子交换 氧化还原 电极 共聚物 离子 有机化学 电解质 物理化学 聚合物 工程类
作者
Nora Catherine Buggy,Ivy Wu,Yifeng Du,Ria Ghosh,Mei‐Chen Kuo,Morgan S. Ezell,James M. Crawford,Söenke Seifert,Moisés A. Carreón,E. Bryan Coughlin,Andrew M. Herring
出处
期刊:Electrochimica Acta [Elsevier]
卷期号:412: 140124-140124 被引量:6
标识
DOI:10.1016/j.electacta.2022.140124
摘要

The effect of anion exchange ionomer (AEI) chemistry on the kinetics of the oxygen evolution reaction (OER) was systematically studied in both half-cell and single-cell electrolysis experiments. OER was studied in 1 M K2CO3 at 50 °C using an array of ionomer-silver catalyst inks deposited on Ni foam. Different ionomer modifications were investigated to optimize the OER performance. The AEI used in this work features a block copolymer backbone of polychloromethylstyrene-b-polycyclooctene-b-polychloromethylstyrene which was functionalized with either benzyltrimethylammonium (TMA) or benzylmethylpiperidinium (MPRD) quaternary ammonium cations. Using an MPRD quaternary ammonium cation shifted the rate determining step at high overpotentials, ultimately providing enhanced performance. Increasing the catalyst ink dilution was also found to substantially improve mass activity and catalyst utilization (increase from 35 to 88 A g−1 Ag), likely by reducing the ionomer thickness and decreasing transport resistances. In the final ionomer modification, the Ni foam substrate was leveraged to partially hydrogenate the polycyclooctene midblock to be polyethylene-like at the Ni interface. A significant increase in the electrochemical surface area (Cdl increased from 8.8 to 20.8 mF cm−2) and performance (by 47 mA cm−2 or 29 A g−1 Ag) was observed with the incorporation of polyethylene. Kinetic results from half-cell experiments were validated via single-cell anion exchange membrane electrolysis experiments, where the optimized electrode displayed enhanced performance in both 1 M K2CO3 and DI H2O.
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