The performance of anion exchange membrane water electrolyzers (AEMWEs) has been greatly improved with the materials (ionomers and catalysts) developments. However, the lack of understanding of their integrated structure limits further advancement. In this work, we investigated on the catalyst/electrolyte interface by varying the metal cations of the aqueous alkaline electrolyte. Larger metal cation sizes boost the catalytic activity of hydrogen (HER) and oxygen evolution reactions (OER) with double layer capacitance (Cdl) increment while impeding mass transport of their products (H2 and O2). Based on this observation, we proposed an electrical double layer (EDL) model on the catalyst surfaces. For the anode, by the larger cation size, the more cations and OH- molecules are adsorbed to the catalyst surface, and the increased local pH leads to higher OER activity. Simultaneously, the densely packed molecules impede O2 gas diffusion. In the same manner, large cations induce adsorption of a high concentration of H2O molecules to the cathode electrode, suppressing H2 gas diffusion, but lower local pH enhances the HER kinetics. This study presents an in-depth understanding of the catalyst/electrolyte interface, a new perspective on liquid electrolyte design, and further direction for polymer electrolyte design of AEMWEs.
음이온 교환막 수전해의 성능은 재료(이오노머 및 촉매) 개발로 크게 향상되었습니다. 그러나 이들의 통합 구조에 대한 이해의 부족은 더 이상의 발전을 제한합니다. 이 작업에서 우리는 수성 알칼리 전해질의 금속 양이온을 변화시켜 촉매/전해질 계면에 대해 조사했습니다. 더 큰 금속 양이온 크기는 전기 이중층의 정전 용량 증분으로 수소 및 산소 발생 반응의 촉매 활성을 높이는 동시에 생성물(수소 및 산소)의 물질 수송을 방해합니다. 이 관찰을 바탕으로 촉매 표면에 전기 이중층 모델을 제안했습니다. 양극의 경우 양이온 크기가 클수록 더 많은 양이온과 수산화이온 분자가 촉매 표면에 흡착되고 국부적 pH가 증가하면 산소 발생 반응의 활성이 높아집니다. 동시에 조밀하게 채워진 분자는 산소의 기체 확산을 방해합니다. 같은 방식으로, 큰 양이온은 음극 전극에 더 많은 물 분자의 흡착을 유도하여 수소 가스 확산을 억제하지만, 낮은 국소적 pH는 수소 생산 반응 동역학을 향상시킵니다. 이 연구는 촉매/전해질 계면에 대한 심층적인 이해, 액체 전해질 설계에 대한 새로운 관점, 음이온 교환막 수전해의 전해질 설계에 대한 추가적인 방향을 제시합니다.
