质子交换膜水电解（PEMWE）是一种很有前途的绿色制氢技术，但其广泛发展受到铱（Ir）稀缺的威胁。Ir在非混相电陶瓷基体中的均匀分散可以提高催化质量活性和结构稳定性。采用高可扩展火焰喷雾热解（FSP）工艺制备的IrySn0.9(1−y)Sb0.1(1−y)Ox固溶体作为高效的PEMWE阳极电催化剂，催化剂层（CL）中仅含有0.2 mgIrcm−2。在前驱体衍生的高温火焰中，金属蒸气的强烈混合和大的热梯度有助于稳定自保存的4-6 nm颗粒内亚纳米尺度的熵混合。详细的研究证实，一步制备的固溶体电催化剂的析氧活性（OER）比Ir黑高4倍。使用该催化剂的PEMWE阳极在2000 h内表现出高性能和稳定性，但其Ir负载比最先进的低10倍。
a) FSP设置示意图。催化剂粉末使用右上方所示的玻璃纤维过滤器收集。使用5mL min - 1前驱体和5L min - 1弥散气体流速时，典型火焰的温度分布如图所示。b)合成37-ISS的HAADF图像，其中标记了Ir， Sn和Sb元素图的区域c)合成IrOx， Sn0.9Sb0.1O2和37-ISS的镜头内SEM图像。
a) 37-ISS和51-ISS的反卷积Ir4f XPS光谱。b) 37-ISS和51-ISS的Sb3d减去和反卷积的O1s XPS光谱。c) Ir、Ir(acac)3、IrO2、37-ISS和51-ISS的Ir l3边缘XANES光谱。d)综合白线强度与d波段空穴数的关系图。拟合线是Ir， Ir(acac)3和IrO2标准的线性回归。37-ISS和51-ISS的位置显示在这个刻度上。e) Sb0.9Sn0.1O2和51-ISS的XRD谱图。参考ICDD卡号00-006-0598（红色），00-015-0870（蓝色）和00-041-1445（橙色）的Ir， IrO2和SnO2图案。f) IrO2和51-ISS的紫外光电子能谱（UPS）， g) 51-ISS和氧化Ti PTL界面的能带图。
FSP制造的37-ISS和51-ISS与商用Ir black的RDE测量：a)循环伏安图。b) Ir-mass比OER活性图。此外，FSP制造的IrOx （85 wt.% Ir）也包括在内。c)Ir -质量归一化Tafel图。d)不同过电位下酸中OER的Ir-black、51-ISS和37-ISS的周转频率（TOF），与每个Ir位点的O2产量有关。
显微镜分析在一个原始的51- iss的CCM与0.2 mg cm−2的Ir负载在一个IL涂层PEM。a)阳极CL-IL-PEM截面的代表性SEM图像。b、c)阳极CL-IL-PEM截面接触电流模式下的AFM图像，对应d)与材料刚度相关的Derjaguin-Muller-Toporov （DMT）模量。比例尺：200nm。e)阳极CL表面AFM电流测量。在0 ~ 2V之间进行静脉曲线图测量。给出0.1 V（上）和1.5 V（下）时平均电流响应的代表性图像。
a)耐久性试验：51-ISS在PEMWE电池中进行2000 h耐久性试验。插图：所使用的PEMWE电池设置方案。b)在测试的不同阶段，PEMWE电池电压相对于电流密度的演变，在JRC欧盟协调极化协议下记录到高达2.5 A cm - 2。在没有关机事件的情况下记录极化曲线，重复两次，这里只显示第二组极化曲线。c)电化学阻抗谱（EIS） 1038、1560和2A cm−2 EOT后的电池电阻Nyquist图。在BOT时未测量EIS。插图：对应的等效电路。R表示欧姆。R1指析氢反应（HER），电极中伴随双层效应的电荷转移电阻，或OER的双电子过程的第一次电荷转移。R2表示OER的速率决定步骤的电荷转移。R3指的是质量运输损失。CPE是指恒相元件。d)使用图c中的等效电路从奈奎斯特图中得到的2 A cm−2下的反卷积电阻。e)电池电压与时间对数图，用于PEMWE电池中2000 h的耐久性测试。f) 0.25和2 A cm−2的无iR电池电压。
经过2000 h测试的CCM耐久性后的特征：a)阳极CL-IL-PEM界面的代表性SEM图像。b)阳极催化剂的代表性HR-TEM图像。c) AFM PeakForce在阳极CL上的Tapping模式电子导电性测量和d)相应的高度测量。
针对低Ir含量的PEMWE和高效高效的高性能催化剂的生产，我们开发了IrySn0.9(1−y)Sb0.1(1−y)Ox （y分别= 0.37,0.51）的自保存纳米晶固溶体催化剂，使用快速和可扩展的FSP技术在单个工艺步骤中保持不混相元素。这些材料具有高度分散的Ir纳米颗粒（≈4 nm），具有非贵金属邻域和丰富的氧缺陷，对OER具有较高的活性和稳定性。使用火焰衍生催化剂的均匀导电CL在PEMWE中显示出高性能和卓越的耐用性，在标称电流密度为2 A cm - 2，低Ir负载为0.2 mg cm - 2的情况下，降解率仅为18µV h - 1，超过2000 h。这证明了FSP制造的催化剂在实现PEMWE快速商业化方面的潜力，而无需在催化剂生产中进行多个阶段的放大。本研究的发现强调了具有陡峭热梯度的高温火焰稳定热力学不稳定固溶体的潜力。通过采用基于Ir-Sn-Sb的固溶体，即使在低Ir负载下也可以制造多孔，刚性和电连续的CL。这些fsp衍生材料的低功函数和尺寸依赖的表面富集Ir分散相结合，表明了进一步成分探索的可能性，将它们定位为超低Ir负载PEMWE的有希望的候选材料。这一结果也鼓励了更具挑战性的电催化剂的发展，如高熵电催化剂和高合成速率的高分散负载单原子催化剂。
Rapid Scalable One‐step Production of Catalysts for Low‐Iridium Content Proton Exchange Membrane Water Electrolyzers - Venkatesan - Advanced Energy Materials - Wiley Online Library
https://doi.org/10.1002/aenm.202401659
本文仅技术交流，无盈利目的，侵权请联系删除！
热门跟贴