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Poly(ionic liquid) Ionomers Help Prevent Active Site Aggregation, in Single-Site Oxygen Reduction Catalysts
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2024-05-07 , DOI: 10.1021/acscatal.4c01418 Silvia Favero 1 , Alain Li 1 , Mengnan Wang 1 , Fayyad Uddin 1 , Bora Kuzuoglu 1 , Arthur Georgeson 1 , Ifan E L Stephens 2 , Maria Magdalena Titirici 1
ACS Catalysis ( IF 11.3 ) Pub Date : 2024-05-07 , DOI: 10.1021/acscatal.4c01418 Silvia Favero 1 , Alain Li 1 , Mengnan Wang 1 , Fayyad Uddin 1 , Bora Kuzuoglu 1 , Arthur Georgeson 1 , Ifan E L Stephens 2 , Maria Magdalena Titirici 1
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Anion exchange membrane fuel cells (AEMFCs) can produce clean electricity without the need for platinum-group metals at the cathode. To improve their durability and performance, most research investigations so far have focused on optimizing the catalyst and anion exchange membrane, while few studies have been dedicated to the effect of the ionomer. Herein, we address this gap by developing a poly(ionic liquid)-based ionomer and studying its effect on oxygen transport and oxygen reduction kinetics, in comparison to the commercial proton exchange and anion exchange ionomers Nafion and Fumion. Our study shows that the choice of ionomer has a dramatic effect on the morphology of the catalyst layer, in particular on iron aggregation. We also observed that the quality of the catalyst layer and the degree of iron aggregation can be correlated to the rheological properties of the catalyst ink. Moreover, this work highlights the impact of the ionomer on the resistance to oxygen transport and reports improved oxygen diffusion compared to Nafion, for poly(ionic liquid)s with fluorinated anions. Finally, the performance of the catalyst–ionomer layer for oxygen reduction was tested with a rotating disc electrode (RDE) and a gas diffusion electrode (GDE). We observed dramatic differences between the two configurations, which we attribute to the different morphologies of the catalyst layer. In summary, our study highlights the dramatic and overlooked effect of the ionomer and the limitations of the RDE in predicting fuel cell performance.
中文翻译：
聚（离子液体）离聚物有助于防止单位点氧还原催化剂中的活性位点聚集
阴离子交换膜燃料电池 （AEMFC） 可以产生清洁电力，而无需在阴极处使用铂族金属。为了提高其耐用性和性能，迄今为止，大多数研究调查都集中在优化催化剂和阴离子交换膜上，而很少有研究专门研究离聚物的作用。在此，我们通过开发基于聚（离子液体）的离聚物并研究其对氧传输和氧还原动力学的影响，与商业质子交换和阴离子交换离聚物 Nafion 和 Fumion 相比，解决了这一差距。我们的研究表明，离聚物的选择对催化剂层的形态有很大影响，特别是对铁聚集的影响。我们还观察到，催化剂层的质量和铁聚集的程度可以与催化剂油墨的流变特性相关。此外，这项工作强调了离聚物对氧传输阻力的影响，并报告了与 Nafion 相比，对于含氟阴离子的聚（离子液体）的氧扩散有所改善。最后，使用旋转圆盘电极 （RDE） 和气体扩散电极 （GDE） 测试了催化剂-离聚物层的氧还原性能。我们观察到两种构型之间存在巨大差异，我们将其归因于催化剂层的不同形态。总之，我们的研究强调了离聚物的巨大和被忽视的影响，以及 RDE 在预测燃料电池性能方面的局限性。
更新日期：2024-05-07
中文翻译：
聚（离子液体）离聚物有助于防止单位点氧还原催化剂中的活性位点聚集
阴离子交换膜燃料电池 （AEMFC） 可以产生清洁电力，而无需在阴极处使用铂族金属。为了提高其耐用性和性能，迄今为止，大多数研究调查都集中在优化催化剂和阴离子交换膜上，而很少有研究专门研究离聚物的作用。在此，我们通过开发基于聚（离子液体）的离聚物并研究其对氧传输和氧还原动力学的影响，与商业质子交换和阴离子交换离聚物 Nafion 和 Fumion 相比，解决了这一差距。我们的研究表明，离聚物的选择对催化剂层的形态有很大影响，特别是对铁聚集的影响。我们还观察到，催化剂层的质量和铁聚集的程度可以与催化剂油墨的流变特性相关。此外，这项工作强调了离聚物对氧传输阻力的影响，并报告了与 Nafion 相比，对于含氟阴离子的聚（离子液体）的氧扩散有所改善。最后，使用旋转圆盘电极 （RDE） 和气体扩散电极 （GDE） 测试了催化剂-离聚物层的氧还原性能。我们观察到两种构型之间存在巨大差异，我们将其归因于催化剂层的不同形态。总之，我们的研究强调了离聚物的巨大和被忽视的影响，以及 RDE 在预测燃料电池性能方面的局限性。
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