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Iridium Surface Oxide Affects the Nafion Interface in Proton-Exchange-Membrane Water Electrolysis
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2024-09-11 , DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01508 Sarah A. Berlinger 1 , Xiong Peng 1 , Xiaoyan Luo 1 , Peter J. Dudenas 1 , Guosong Zeng 2 , Haoran Yu 3 , David A. Cullen 3 , Adam Z. Weber 1 , Nemanja Danilovic 1 , Ahmet Kusoglu 1
ACS Energy Letters ( IF 19.3 ) Pub Date : 2024-09-11 , DOI: 10.1021/acsenergylett.4c01508 Sarah A. Berlinger 1 , Xiong Peng 1 , Xiaoyan Luo 1 , Peter J. Dudenas 1 , Guosong Zeng 2 , Haoran Yu 3 , David A. Cullen 3 , Adam Z. Weber 1 , Nemanja Danilovic 1 , Ahmet Kusoglu 1
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Proton-exchange-membrane water electrolyzer (PEMWE) catalyst layers consist of aggregates of catalyst particles (typically iridium) and ionomer (typically Nafion). Prior work suggests that the oxide form of Ir affects the kinetics of the oxygen-evolution reaction. However, because most catalyst-benchmarking studies are conducted ex situ in liquid electrolytes, it remains unclear how the ionomer is influenced by the catalyst oxide and affects overall cell performance. Using a suite of experimental techniques, we conduct fundamental investigations into model ink (catalyst and ionomer dispersed in solution) and thin-film systems to inform cell-level overpotential analysis as a function of three forms of Ir (metallic Irm, oxyhydroxide IrOOH, and oxide IrO2). Nafion on Irm has a high degree of phase separation and higher swelling, likely improving the ionic conductivity. Additionally, Nafion binds most strongly to IrOOH, likely yielding reduced kinetic overpotentials. These findings highlight the intricacies of the ionomer/Ir interface and provide insight into all catalyst-layer systems.
中文翻译：
铱表面氧化物影响质子交换膜水电解中的 Nafion 界面
质子交换膜水电解槽 （PEMWE） 催化剂层由催化剂颗粒（通常为铱）和离聚物（通常为 Nafion）的聚集体组成。先前的研究表明，Ir 的氧化物形式会影响析氧反应的动力学。然而，由于大多数催化剂基准测试研究是在液体电解质中异位进行的，因此尚不清楚离聚物如何受到催化剂氧化物的影响并影响整体电池性能。使用一套实验技术，我们对模型墨水（分散在溶液中的催化剂和离聚物）和薄膜系统进行了基本研究，以告知细胞水平过电位分析作为三种形式的 Ir（金属 Irm、氢氧化合物 IrOOH 和氧化物 IrO2）的函数。Irm 上的 Nafion 具有高度的相分离和较高的溶胀性，可能提高了离子电导率。此外，Nafion 与 IrOOH 的结合最强，可能会产生减少的动力学过电位。这些发现突出了离聚物/Ir 界面的复杂性，并提供了对所有催化剂层系统的见解。
更新日期：2024-09-11
中文翻译：
铱表面氧化物影响质子交换膜水电解中的 Nafion 界面
质子交换膜水电解槽 （PEMWE） 催化剂层由催化剂颗粒（通常为铱）和离聚物（通常为 Nafion）的聚集体组成。先前的研究表明，Ir 的氧化物形式会影响析氧反应的动力学。然而，由于大多数催化剂基准测试研究是在液体电解质中异位进行的，因此尚不清楚离聚物如何受到催化剂氧化物的影响并影响整体电池性能。使用一套实验技术，我们对模型墨水（分散在溶液中的催化剂和离聚物）和薄膜系统进行了基本研究，以告知细胞水平过电位分析作为三种形式的 Ir（金属 Irm、氢氧化合物 IrOOH 和氧化物 IrO2）的函数。Irm 上的 Nafion 具有高度的相分离和较高的溶胀性，可能提高了离子电导率。此外，Nafion 与 IrOOH 的结合最强，可能会产生减少的动力学过电位。这些发现突出了离聚物/Ir 界面的复杂性，并提供了对所有催化剂层系统的见解。
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