Polymer electrolyte membrane water electrolysis (PEMWE) is garnering significant scientific interest for the carbon neutrality. This is attributed to its capacity to facilitate extensive-scale generation of pure green hydrogen under elevated pressure. Nonetheless, a substantial contact resistance between iridium oxide catalyst layer and Ti porous transport layer (PTL) degrades the performance and eventually increases the green hydrogen cost. The band bending phenomenon, Schottky contact, in titanium oxide (TiOx, n-type semiconductor) caused by the contact with high work function of iridium oxide (IrOx) induces the large contact resistance with high energy barrier. This study investigates how the presence of ionomer at the interface, along with IrOx, maximizes Schottky barrier by pinch-off effect, as determined through electrochemical analysis and COMSOL simulation. In light of the results, we determined that a catalyst exceeding the scale of 30 nm reduces the contact resistance between IrOx / TiOx caused by pinch-off effect, as compared to a smaller catalyst (10 nm). This work provides valuable outcomes to design optimal catalyst structure for reducing ohmic overpotential at the PEMWE.
고분자 전해질 수전해(PEMWE)는 고압에서 고순도의 그린 수소를 대량 생산할 수 있어 탄소 중립을 달성할 수 있는 기술로 높은 과학적 관심을 끌고 있다. 그러나 양극에서 이리듐 산화물 촉매층과 티타늄 확산층(PTL) 계면에서의 큰 접촉 저항으로 성능이 저하되고 그린 수소 비용을 증가시키는 문제를 가지고 있다. 계면에서의 큰 접촉 저항은 높은 일함수를 가지는 이리듐 산화물 접촉에 의해 발생하는 티타늄 산화물(n-형 반도체)의 밴드 굽어짐 현상(Schottky contact)이 에너지 장벽을 만들어 전자 전달을 막는 현상에서 기인한다. 본 연구에서는 이리듐 산화물과 함께 존재하는 이오노머가 핀치 오프 효과(pinch-off effect)로 에너지 장벽을 높이는 현상에 대해 검증하고 이를 전기화학 분석과 COMSOL 시뮬레이션을 통해 확인한다. 또한, 작은 촉매 입자(10 nm)보다 큰 입자(30 nm~)를 가지는 촉매가 핀치 오프 효과에 의한 접촉 저항을 낮출 수 있으며 계면에서 빠른 전자 전달을 유도할 수 있음을 규명한다. 연구 결과는 고분자 전해질 수전해에서 오믹 과전압을 감소시키기 위한 최적의 촉매 구조를 설계하는 데 유용한 결과를 제공한다.
