Selecting highly efficient catalyst for oxygen evolution reaction in acidic electrolytes is a challenge for producing environmentally friendly hydrogen with highly compactable and efficient polymer electrolyte membrane water electrolysis(PEMWE). Here, we suggest a woodpile-nanostructured Ir thin film, fabricated by stacking periodically-arrayed nanowires through solvent-assisted nanotransfer printing, exhibiting exceptional enhancement of mass activity and stability. The woodpile nanostructure enables complete utilization of iridium in the catalyst from top to bottom because ordered and interconnected pores with size of meso (~50nm) and macro(>200 nm) pores have propensity to flood. Low tortuosity of the pores within the woodpile structure facilitates dioxygen product to escape the catalyst layer. These characteristics are related to increase of the surface area of the interface between the catalyst and the water reactant and the quantity of the reaction per unit area per unit time. These properties result woodpile-nanostructured Ir thin film to show 4.8 times advanced mass activity relative to a conventional nanoparticle-type iridium catalyst. In addition, it sustains 80% of activity after 500 start/stop cycles in contrast to 60% sustainability of the nanoparticles. Furthermore, we demonstrated ~36 times enhancement of mass activity in real PEMWE device. The woodpile nanostructured Ir thin film are meant to guide further research to improve orderability of stacking nanowire array for optimized electrochemical OER catalyst.
고분자전해질 막 수전해조는 소형화가 가능하고 높은 효율을 갖고 있어, 친환경 신재생에너지원으로 손꼽히고 있는 수소를 생산하기에 유용하다. 하지만, 실제 산업에서 이용되기 위해서는 산소발생반응 촉매의 효율이 더욱 증가해야 한다. 본 연구에서는, 산소발생반응에서 높은 활성과 안정성을 보인, 장작더미모양의 미세구조를 가진 이리듐 박막을 촉매로 제안하는 바이다. 이러한 촉매는 나노전사프린팅 과정을 통해 제작되었다. 이와 같은 박막은 서로연결되어 있고, 열려있으며 정렬된 기공을 갖고있는 구조로서, 미세구조의 바닥 쪽부터 위쪽까지 전체적으로 물이 스며들 수 있다. 또한, 꼬인 정도가 덜한 기공은 산소가 촉매 층을 벗어나는데 도움이 되어 단위시간당 반응양을 증가시키는데 도움이 된다. 이러한 요소들로 인해, 로딩양당 표면적과 촉매의 고유 활성도가 동시에 증가할 것을 기대할 수 있다. 본 연구에서는 그와 같은 효과로 인해 촉매의 활성이 크게 증가하였음을 반쪽 전지와 단위 전지에서 확인하였다.
